DE3507898C1 - Einrichtung zur Erkennung bewegter Objekte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erkennung bewegter Objekte unter Verwendung eines aktiven opti­ schen Entfernungsmessers mit rasterförmiger Abtastung der Objekte.

Aus der DE-PS 29 49 453 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Trefferwirkung von Flugkörpern, Flugkörperwirktei­ len und Geschossen bei automatischer Zielverfolgung und Zielabtastung mit Erstellung eines Zielbildes beschrie­ ben, das über eine Korrelationsschaltung mit einem ge­ speicherten Impulsbild des Zieles verglichen wird, wo­ bei das abgetastete Zielbild zusätzlich mit einem wei­ teren, vorher gespeicherten Bild des zu bekämpfenden Zieles, welches markierte Verwundbarkeitsschwerpunkt­ flächen aufweist, verglichen wird und die hieraus ge­ wonnenen Informationen für eine Zündpunkteinstellung in einer Einheit korreliert und ausgewertet werden.

Weiterhin ist aus der DE-OS 30 43 238 ein Flugkörper- Suchkopf zum Auffinden und Verfolgen von Bodenzielen mit einem Laser-Entfernungsmesser und einer Ablenkein­ richtung für die Laserstrahlung, mittels welcher das Zielgebiet rasterförmig überdeckbar ist, bekannt, bei welchem dem Empfänger für das rückgestreute Licht ein Entfernungssprungdetektor zugeordnet ist, der über eine Auswerteinheit ansteuerbar ist.

Derartige Einrichtungen sind zum einen bezüglich der Schaltung und der Signalverarbeitung recht aufwendig und ermöglichen zum anderen entweder keine Entfernungs- und Geschwindigkeits-Information oder keine Unterschei­ dungsmöglichkeit nach Größe und Geschwindigkeit des be­ obachteten Objektes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrich­ tung zur Erkennung etwa tangential zur Wirkrichtung der Einrichtung bewegter Objekte zu schaffen, die die ge­ wünschten Objekte nach Größe, Bewegungsrichtung, Ent­ fernung und Azimutalgeschwindigkeit von Störobjekten zu selektieren vermag und gleichzeitig einfach und funk­ tionssicher aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einrichtung mindestens eine vertikale Reihe mit je­ weils mehreren etwa parallel ausgerichteten, optischen Empfängern aufweist, deren Empfangssignale in einer Be­ wertungsschaltung zeitlich und räumlich korreliert wer­ den, wobei die aus den Empfangssignalen gewinnbaren In­ formationen über die vertikale bzw. horizontale räum­ liche Ausdehnung, die Bewegungsrichtung und die Ge­ schwindigkeit des bewegten Objektes ausgewertet werden, und ein Ausgangssignal erzeugt wird, sobald aus den ausgewerteten Empfangssignalen der Flächenschwerpunkt des bewegten Objektes ermittelt ist, oder die räumliche Ausdehnung des bewegten Objektes vorgebbare Schwell­ werte überschreitet.

Vorteilhafterweise besteht die Bewertungsschaltung aus einem Mikroprozessor mit entsprechenden Peripherieein­ richtungen, der nach einem festen Programm in Abhängig­ keit von variierbaren Parametern die Auswertung durch­ führt.

Gemäß günstiger Ausführungsformen der Erfindung können in Abhängigkeit vom Ergebnis der Auswertung der Empfangssignale die Brennweite der Empfängeroptik sowie die Abtastfrequenz des optischen Entfernungsmessers und weitere Parameter des Auswerteverfahrens eingestellt werden.

Außerdem kann die Einrichtung mehrere vertikale Reihen mit optischen Empfängern aufweisen, die horizontal durch optisch nicht erfaßte Sektoren voneinander ge­ trennt sind.

Die Einrichtung kann auch dahingehend vereinfacht wer­ den, daß in jeder vertikalen Reihe nur ein optischer Empfänger eingesetzt wird.

Weiterhin berücksichtigt die Einrichtung bei der Sig­ nalauswertung den Vorhaltewinkel, wobei die geometri­ sche Anordnung der Gesichtsfelder der optischen Empfän­ ger bezüglich der Vorhalterichtung symmetrisch oder auch nur einseitig sein kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrie­ ben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Anwendungsbeispiel einer Einrichtung zur Erkennung bewegter Objekte;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie A-A durch die Fig. 1;

Fig. 4 ein Signalflußbild der Signalverarbeitung einer Einrichtung zur Erkennung bewegter Objekte;

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Erkennung bewegter Objekte.

In Fig. 1 ist ein Anwendungsbeispiel zur Erkennung be­ wegter Objekte entsprechend der Erfindung dargestellt. Es handelt sich hierbei um einen optischen Sensor nach dem Reliefprinzip, der beispielsweise in eine Richtmine mit horizontaler Wirkungsrichtung eingebaut ist. Diese Richtmine soll nach dem Verlegen das Überschreiten der durch die Wirkachse vorgegebenen Vertikalebene durch Objekte einer vorgegebenen geometrischen Ausdehnung in einem vorgegebenen Geschwindigkeitsbereich verhindern, zum Beispiel eine Talenge an einer gewünschten Stelle für die Durchfahrt von größeren Fahrzeugen sperren. Ein Sensor mit starrer geometrischer Zuordnung seiner Empfindlichkeitscharakteristik bezüglich der Wirkachse der Mine veranlaßt bei Vorbeifahrt eines entsprechenden Zieles die Auslösung der Mine zu einem geeigneten Zeit­ punkt, ohne auf andere im Beobachtungsbereich bewegte Objekte wie Tiere, Pflanzen oder Fußgänger etc. anzu­ sprechen.

Hierfür weist die Einrichtung entsprechend der Erfin­ dung gemäß der Fig. 1, 2, 3 einen Laser-Entfernungs­ messer mit einer Anordnung mehrerer strahlenförmig aus­ gerichteter, optischer Empfänger 4a, 4b, . . . , 4f in zwei vertikalen Reihen, 2, 3, und eine in Fig. 5 dargestell­ te Bewertungsschaltung 10 auf, welche die von den Empfängern 4a, 4b, . . . , 4f gelieferten Empfangssignale 5a, 5b, . . . , 5f verarbeitet. Die optische Hauptachse 8 der Empfänger ist dabei zur Wirkungsrichtung 9 der Mine um den Vorhaltewinkel y versetzt angeordnet. Die ein­ zelnen Empfänger 4a, 4b, . . . , 4f weisen in horizontaler und vertikaler Richtung jeweils einen Öffnungswin­ kel auf und sind gegebenenfalls voneinander räum­ lich separiert. Für einfache Anwendungsfälle genügt eine einzige vertikale Reihe 2 von Empfängern.

Die Verarbeitung der Empfangssignale 5a, 5b, . . . , 5f der Empfänger 4a, 4b, . . . , 4f erfolgt zweckmäßigerweise in einem Mikroprozessor. Die für die Signalverarbeitung notwendigen Parameter sind zum Teil entweder über Wahl­ schalter oder ähnliche Geräte eingebbar oder als Kon­ stanten im Programm enthalten und bei Bedarf abrufbar. In Abhängigkeit von den Ergebnissen der Auswertung der Empfangssignale können während des Rechenvorganges di­ verse Parameter beeinflußt werden, wie zum Beispiel die Brennweite der Empfängeroptik, die Abfragefrequenz so­ wie die Auswahl des Auswerteverfahrens. Ziel der Sig­ nalauswertung ist es, den optischen Schwerpunkt des be­ obachteten Objektes und/oder dessen räumliche Ausdeh­ nung innerhalb bestimmter Grenzen zu ermitteln und daraus in Abhängigkeit von der Entfernung, Geschwindig­ keit und Größe des Objektes den geeigneten Auslösezeit­ punkt zu berechnen.

Aus den pro Empfängerkanal periodisch anfallenden Ent­ fernungsinformationen können mit Hilfe der Bewertungs­ schaltung folgende Informationen gewonnen werden:

• 1. Bei keinem Empfänger tritt eine signifikante Ände­ rung des zu Beginn des Meßverfahrens festgestellten Entfernungswertes auf: der Sensor beobachtet nur die Umgebung, kein bewegtes Objekt befindet sich im Gesichtsfeld.
• 2. Erste signifikante Änderung des Entfernungswertes in einem Empfangskanal: der betreffende Empfänger wird fortan als "aktiviert" geführt, falls der zu­ gehörige Entfernungswert in den für das System vor­ gegebenen Entfernungsbereich fällt.
• 3. Die Anzahl der in einer vertikalen Reihe 2, 3 über­ einander liegenden aktivierten Empfänger liefert im Zusammenhang mit den zugehörigen Entfernungswerten (bzw. deren Mittelwert, Minimum oder Maximum) ein Maß für die Höhe des Objektes 6.
• 4. Bei mehreren aktivierten Empfängern in den beiden vertikalen Reihen liefert die Zeit von der Aktivie­ rung eines Empfängers bis zur Aktivierung des hori­ zontal benachbarten Empfängers im Zusammenhang mit den zugehörigen Entfernungswerten ein Maß für die Geschwindigkeit des Objektes 6.
• 5. Da die Entfernungsmeßwerte in jedem aktivierten Empfangskanals im allgemeinen zunächst ab-, und später wieder zunehmen, kann beispielsweise durch Subtraktion aufeinanderfolgender Meßwerte je Empfänger und gleichzeitiger Mittelung über alle aktivierten Empfänger der optische Schwerpunkt des Objektes 6 bei der Bewegung festgestellt werden. Dies ist grundsätzlich auch bei nur einer vertika­ len Reihe 2 von Empfängern 4a, 4b . . . , 4f möglich.

Durch die geeignete Kombination der genannten Bewer­ tungsmöglichkeiten sowie der Auswahl von Brennweite, Sensorreichweite und Anzahl der Empfänger (in vertika­ ler und horizontaler Anordnung) kann die erfindungsge­ mäße Einrichtung für verschiedene Aufgabenstellungen ausgelegt werden.

Anhand des in Fig. 4 gezeigten Ablaufdiagramms soll im folgenden die Funktion der Einrichtung erläutert wer­ den. Für die Auswertung sind folgende Größen maßgeblich:

• - die Geschoßgeschwindigkeit und der Vorhaltewinkel γ der Munition;
• - die geometrische Anordnung der Empfänger (hier zwei Spalten mit je sechs Kanälen), der Abfragetakt und der Meßbereich der Sensoren;
• - der Geschwindigkeitsbereich, die minimale Länge l_min und die minimale Höhe h_min des Objektes.

Im vorliegenden Fall wird nur eine der möglichen tan­ gentialen Bewegungsrichtungen des Objektes berücksich­ tigt, für beide Richtungen ist die Verwendung einer zweiten, spiegelbildlich bezüglich der Vorhalterichtung angeordneten Einrichtung mit gleichartiger Signalaus­ wertung notwendig.

Das Programm zur Auswertung der Empfängersignale läuft folgendermaßen ab:

Zunächst (START) werden alle Empfängerkanäle 4a, 4b, . . . 4f deaktiviert und die entsprechenden Speicherelemente sowie der Objektparameter OBJ, die Zeit-, Längen- und Vorhaltezähler auf "Null" gesetzt. Darauf kann die In­ formation über das beobachtete Gebiet ohne ein bewegtes Objekt als Hintergrundrelief in der Hintergrundmatrix abgespeichert werden.

Es folgt nun so lange eine wiederholte, taktgesteuerte (TAKT) Abfrage der Empfangskanäle ohne Konsequenzen im Programmablauf, bis mindestens einer der Empfängerka­ näle durch das Auftreten eines bewegten Objektes 6 in dessen Empfangsbereich aktiviert wird und damit das entsprechende Element der Speichermatrix zu "Eins" ge­ setzt wird. Wurde dabei ein Empfänger aus der der Vor­ haltelinie 9 zugewandten Spalte 2 aktiviert, so bedeu­ tet das, daß entweder das Objekt zu schnell war oder aus der falschen Richtung kommt. Damit beginnt das Pro­ gramm wieder bei START.

Falls jedoch ein Empfänger der Spalte 1 aktiviert wur­ de, beginnt ein Ausleseverfahren bezüglich der Größe und Geschwindigkeit des entdeckten Objektes. Hierfür ist zunächst eine Klassifikation des bewegten Objektes mit Hilfe des Parameters OBJ notwendig. Dabei bedeutet:
OBJ = 0: beide Spalten 2, 3 leer;
OBJ = 1: Spalte 3 aktiviert, Spalte 2 leer;
OBJ = 2: Spalten 2, 3 aktiviert;
OBJ = 3: Mindestlänge festgestellt, Spalte 3 (noch) aktiviert, Mindesthöhe (noch) nicht erreicht.

Die Feststellung der Geschwindigkeit des bewegten Ob­ jektes 6 erfolgt mittels des Zeitzählers ZZ, der auf ZZ=1 gesetzt wird und fallweise weiterzählt. Ein Ab­ bruch und Wiederstart des Programmes erfolgt, wenn das bewegte Objekt zu langsam (ZZ zu groß), zu schnell (ZZ zu klein), zu kurz (Spalte 3 nicht mehr aktiviert) oder zu niedrig (Höhenschwelle aus übereinander liegenden Ka­ nälen nicht erreicht) war.

Mit Hilfe des Längenzählers ZL läßt sich überprüfen, ob sich das bewegte Objekt 6 in einem festgelegten Längen­ bereich befindet. Gleichzeitig wird aus dem Zählerstand eine Startschwelle für den Vorhaltezähler ZH ermittelt, die durch die Berechnung des optischen Schwerpunktes des bewegten Zieles feststellbar ist.

Aus der Objektentfernung DM, den Zählerständen von ZZ und ZL wird im Vorhaltezähler ZH derjenige Zählerstand abgeleitet, der bei den gegebenen Werten von Vorhalte­ winkel und Geschoßgeschwindigkeit den Auslösezeitpunkt für die höchste Trefferwahrscheinlichkeit darstellt.

In Fig. 5 ist ein Beispiel des Gesamtaufbaus einer Ein­ richtung zur Erkennung bewegter Objekte vereinfacht dargestellt. Der von der Zeitbasis des Mikroprozessors 18 über die Steuerung 11 gepulste Sender 12 strahlt über die Optik 13 Licht aus, welches von der Umgebung oder einem beobachteten Ziel reflektiert wird. Das reflektierte Licht wird über eine weitere Optik 14 auf die Reihe(n) 2, 3 der optischen Empfänger 4a, 4b, . . . 4f geführt. Die Ausgangssignale 16 (Entfernungswerte aus Lichtlaufzeiten) des Empfängers 15 werden im Halte­ speicher 17 abgelegt, vom im Mikroprozessor 18 dort ab­ gerufen und nach dem in Fig. 4 dargestellten Verfahren ausgewertet. Wurde ein bewegtes Objekt erkannt, so wird am Ausgang 19 zum optimalen Zeitpunkt ein Signal abge­ geben.

Die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Einrich­ tung zur Erkennung bewegter Objekte sind darin zu se­ hen, daß hier ein einfach aufzubauendes und kompaktes Gerät geschaffen wurde, das ohne Zuhilfenahme weiterer Sensoren, die unter Umständen erst in der Umgebung der Einrichtung verlegt werden müssen, eine genaue Detek­ tion des sich vorbeibewegenden Objektes ermöglicht und dabei störende Objekte zu selektieren vermag. Weiterhin ist es möglich, mit einer derartigen Einrichtung auch einen größeren Bereich durch automatische Schwenkung mit Hilfe weiterer Sensor-Informationen zu beobachten. Somit sind auch vielfältige weitere Einsatzmöglichkei­ ten außerhalb des hier beschriebenen Beispiels denkbar.

Claims (7)

1. Einrichtung zur Erkennung bewegter Objekte unter Verwendung eines aktiven optischen Entfernungsmessers mit rasterförmiger Abtastung der Objekte, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (1) mindestens eine vertikale Reihe (2, 3) mit jeweils meh­ reren etwa parallel ausgerichteten, optischen Empfän­ gern (4a, 4b, . . . , 4f) aufweist, deren Empfangssignale (5a, 5b . . . , 5f) in einer Bewertungsschaltung zeitlich und räumlich korreliert werden, wobei die aus den Empfangssignalen (5a, 5b, . . . , 5f) gewinnbaren Informa­ tionen über die vertikale bzw. horizontale räumliche Ausdehnung, die Bewegungsrichtung und die Geschwindig­ keit des bewegten Objektes (6) ausgewertet werden, und ein Ausgangssignal (7) erzeugt wird, sobald aus den ausgewerteten Empfangssignalen (5a, 5b, . . . , 5f) der Flächenschwerpunkt des bewegten Objektes (6) ermittelt ist, oder die räumliche Ausdehnung des bewegten Objek­ tes (6) vorgebbare Schwellwerte überschreitet.

2. Einrichtung zur Erkennung bewegter Objekte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Empfänger (4a, 4b, . . . , 4f) über einen Multiplexer und Analog-Digital-Wandler an einen Mikro­ prozessor angeschlossen sind, der seinerseits mit Spei­ chern mit festem oder wahlweise austauschbarem Inhalt und Wahlschaltern sowie einer Ansteuereinrichtung für weitere Geräte verbunden ist.

3. Einrichtung zur Erkennung bewegter Objekte nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Abhängigkeit vom Ergebnis der Auswertung der Empfangssignale der optischen Empfänger (4a, 4b, . . . , 4f) die Brennweite der Empfängeroptik und/ oder die Abtastfrequenz des optischen Entfernungsmes­ sers einstellbar sind.

4. Einrichtung zur Erkennung bewegter Objekte nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Abhängigkeit vom Ergebnis der Auswertung der Empfangssignale der optischen Empfänger (4a, 4b, . . . , 4f) bestimmte Parameter des Auswertever­ fahrens (zum Beispiel: Bewertung der vertikalen Objekt­ ausdehnung nur bei Vorliegen eines bestimmten Entfer­ nungs- und/oder Geschwindigkeitsbereiches) variierbar sind.

5. Einrichtung zur Erkennung bewegter Objekte nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung (1) mehrere ver­ tikale Reihen (2, 3) mit optischen Empfängern (4a, 4b, . . . , 4f) aufweist, die in horizontaler Richtung so weit voneinander getrennt sind, daß zwischen den Gesichts­ feldern der optischen Empfänger optisch nicht erfaßte Sektoren entstehen.

6. Einrichtung zur Erkennung bewegter Objekte nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß pro vertikaler Reihe (2, 3) nur ein optischer Empfänger eingesetzt ist.

7. Einrichtung zur Erkennung bewegter Objekte nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine weitere gleichartige Ein­ richtung horizontal symmetrisch bezüglich der um den Vorhaltewinkel γ zur Hauptachse (8) versetzten Wirk­ achse (9) angeordnet ist.