DE3516664A1 - Optische anordnung zur passiven entfernungsbestimmung - Google Patents

Description

HONEYWELL GMBH 7. Mai 1985

Kaiserleistraße 55 77 100554 DE

D-6050 Offenbach am Main HR/ep

Optische Anordnung zur passiven Entfernungsbestimmung

Optische Entfernungsmesser arbeiten üblicherweise nach dem Triangulationsverfahren, bei dem die von zwei im seitlichen Abstand angeordneten Ausblicken aufgenommenen Bilder optisch oder elektronisch zur Deckung gebracht werden und aus dem Abstand der beiden Ausblicke sowie der zur Erzielung der Deckungsgleichheit erforderlichen Verschiebung der beiden Abbildungen die Entfernung bestimmt wird. Diese Verfahren sind in erster Linie für ruhende oder sich nur langsam bewegende Ziele geeignet.

Aufgabe der Erfindung hingegen ist die Schaffung einer passiven optischen Meßeinrichtung für die Entfernung zu etwa rechtwinkelig zur Blickrichtung vorbeifahrenden Fahrzeugen. Dabei wird vorausgesetzt, daß sich die Fahrzeuggeschwindigkeit während der Meßzeit nicht ändert. Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Da die Erfindung eine Kenntnis der Fahrzeuglänge voraussetzt, ist sie in erster Linie zur Entfernungsklassierung bei vorbekannten Fahrzeugtypen, beispielsweise Militär- und Kettenfahrzeugen, geeignet. Sie zeichnet sich durch einen besonders einfachen optischen Aufbau aus, weil nur ein einziger Ausblick erforderlich ist und kann beispielsweise in einem Fahrzeugerfassungssystem dazu dienen, daß nur in einem bestimmten Entfernungsbereich vorbeifahrende Fahrzeuge erfaßt und gemeldet werden. Dies gilt für Land- und Seefahrzeuge gleichermaßen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 die geometrischen Verhältnisse der Meßanordnung und

Fig. 2 das Blockschaltbild für die Signalverarbeitung der Detektorausgangssignale. 5

Auf einer Bahn S senkrecht zur Blickrichtung N des IR-Empfängers R bewegt sich ein Fahrzeug F von der Länge Der Empfänger R umfaßt wenigstens zwei Detektoren D. und D, / welche im seitlichen Abstand d., angeordnet sind. Die Brennweite der den Detektoren vorgeschalteten Optik sei f. Über die Optik werden die Detektoren D, und D, in die Vertikalebene der Fahrbahn S abgebildet und haben dort einen Abstand L. Das Fahrzeug F von der Länge 1 benötigt eine Zeitspanne t., um den Bereich des Detektors D. zu durchfahren, d.h. diese Zeitspanne verstreicht beginnend mit dem Eintauchen der vorderen Fahrzeugkante in den Bereich des Detektors D. bis zum Austritt der Fahrzeugrückkante aus dem Erfassungsbereich dieses Detektors. Außerdem benötigt das Fahrzeug eine Zeitspanne t., , um den auf die Fahrbahn S projizierten Abstand d., der Detektorelemente, also um die Strecke L zu durchfahren. Die Geschwindigkeit ν wird dabei als konstant vorausgesetzt. Der Vorhaltwinkel φ zwischen der durch den Empfänger R gehenden normalen N auf dem Fahrweg S und der Verbindungslinie E¹ zwischen dem Empfänger R und dem durch die IR-Optik auf den Fahrweg projizierten Abbildung des zweiten Detektors D, ergibt sich aus der Brennweite f der Optik und dem Detektorabstand d.,. Damit gilt

^fci = ν

Bildet man hieraus das Verhältnis der beiden Zeiten, so folgt _t

Te η ik L

^{D y}t

_ L
r I ^und somit L=I-Q (I)

BAD

Durch die Verhältnisbildung wird somit die unbekannte, aber als konstant vorausgesetzte Geschwindigkeit ν eliminiert.

Aus einer trigonometrischen Betrachtung der Figur 1 ergibt sich:

L¹ = L · cos φ und E=E¹ · cos

Aus dem Gesetz der optischen Abbildung folgt:

L¹ = ik · E' und somit

L · cos φ = ik · E , also

f cos 6

E =
^dik

Kombiniert man die Ergebnisse der Gleichungen I und II, so gelangt man zu

E = |-i · COS^a^ . Q .
ik

Hieraus folgt, daß die Entfernung dem Quotienten Q proportional ist, d.h.

E = const · Q_t (III)

Damit ist nachgewiesen, daß sich durch Messung der beiden genannten Durchlaufzeiten unter den eingangs erwähnten Bedingungen ein entfernungsabhängiges Signal E gewinnen läßt.

Eine Möglichkeit dieses Signal über Signalverarbeitungskanäle in diskreter Schaltungstechnik zu erzeugen, ist in Figur 2 schematisch dargestellt. Wie eingangs vorausgesetzt, fährt das Fahrzeug F längs der Bahn S zunächst in die Projektion I des ersten Detektors D. ein, durchläuft anschließend den Abstand L zwischen den beiden Detektor-Projektionen I und K und dringt dann in die Projektion K des zweiten Detektors D, ein. Die beiden Detektoren D.

JC -L

und D, liefern am Ausgang die in Figur 2 wiedergegebenen Signatursignale t. bzw. t,, welche zeitlich um die dem

X Jv

BAD

Quotienten aus Abstand L und Fahrzeuggeschwindigkeit ν entsprechende Zeitspanne t., gegeneinander versetzt sind. Diese beiden Detektorausgangssignale werden in den Signalverstärkorn SV verstärkt und in den Schwellwertschaltungen T in Rechtecksignale gleicher Amplitude umgewandelt. Somit stehen am Ausgang der beiden Trigger T. und T, die Rechtecksignale i und k, welche ebenfalls um die Zeitspanne t., gegeneinander versetzt sind. Das Signal k wird im Inverter IN invertiert und dem einen Eingang eines UND-Gatters G zugeführt. Der andere Eingang liegt am Ausgang des Triggers T. im ersten Signalverarbeitungskanal. In diesem schließt sich an den Trigger T. ein Zeitamplitudenkonverter C. an, welcher aus dem Rechtecksignal i eine von dessen Länge abhängige Spannung U. ableitet. Im Gatter G wird das Ausgangssignal k des zweiten Signalverarbeitungskanals von demjenigen des ersten Signalverarbeitungskanals subtrahiert, so daß ein Impuls ik entsteht, dessen Länge der Verzögerungszeit t., entspricht. Dieser wird einem zweiten

XiC

Zeitamplitudenkonverter c_k zugeleitet, der hieraus eine der Dauer des Impulses ik entsprechende Spannung U., ableitet. Solche Zeitamplitudenkonverter sind als linearisierte Integrierschaltungen bekannt.

Nunmehr ist aus den beiden Signalen U., und U. der Quotient Q zu bilden. Hierzu dient die Dividierschaltung D₁ an deren Ausgang somit entsprechend der Gleichung III ein entfernungsabhängiges Signal

^U _G = ^US =^k! · ^e steht.

_G =

Ferner läßt sich aus diesem entfernungsabhängigen Signal entsprechend der Gleichung ν = L/t., mittels Division, durch das der Verzögerungszeit t., und damit der Länge des Fahrzeugs L proportionale Signale U., ein geschwindigkeitsproportionales Signal ableiten gemäß

U = ^e_ = 1_ = k - ν , ^Uik ^üi

wobei k« und k„, wie oben erwähnt, systembedingte Konstanten sind.

Um Störungen durch Tageslicht und Schattenbildung zu vermeiden, empfiehlt es sich zur Entfernungsmessung an Kraftfahrzeugen den optischen Empfänger als Infrarotempfänger auszubilden. Die Pechenschaltung kann in analoger Schaltungstechnik, z.B. als integrLerte Schaltung, jedoch auch mit Hilfe eines Mikroprozessors realisiert werden. Zu Erhöhung der Meßgenauigkeit können mehr als zwei Detektoren bzw. Detektorzeilen auf der IR-empfindlichen Fläche des optischen Empfängers angeordnet sein. Hierdurch lassen sich durch Differenz- bzw. Quotientenbildung der einzelnen Signalpaare mehrere Entfernungswerte ermitteln und entweder durch Mittelwertbildung oder statistische Häufigkeits-Bewertung der fehlerärmste Entfernungswert feststellen.

Dabei empfiehlt es sich, die einzelnen Detektoren um unterschiedliche Abstände gegeneinander seitlich versetzt anzuordnen, derart, daß die äußeren Detektoren einen geringeren Abstand voneinander haben als die näher an der Ausblickachse des Empfängers liegenden Detektoren bzw. Detektorzeilen. Mit drei statt zwei Detektoren lassen sich bereits drei voneinander unabhängige Entfernungsmessungen durchführen, und die Bewertung der einzelnen Messungen kann durch den gleichen Mikroprozessor erfolgen. Die Entfernungsmeßanordnung läßt sich beispielsweise zur überwachung von Straßen und Schiffahrtswegen einsetzen, wenn nur in einem bestimmten Abstand vorbeifahrende Land- oder Seefahrzeuge gezählt oder für andere Zwecke erfaßt werden sollen. Aus dem entfernungsabhängigen Signal in Verbindung mit dem geschwindigkeitsabhängigen Signal läßt sich auch ein Vorhalt für eine zur Bekämpfung des Fahrzeugs dienende Waffe berechnen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Optische Anordnung zur passiven Entfernungsbestimmung eines etwa rechtwinkelig zur Blickrichtung der Anordnung vorbeifahrenden Fahrzeugs, gekennzeichnet durch

a) einen seitlich unter einem Winkel (90°-φ) auf den Fahrweg gerichteten optischen Empfänger mit einer zumindest zwei im seitlichen Abstand (d.,) angeordneten Detektoren

(D., D ), dem eine Optik von der Brennweite (f) vorge-χ κ

schaltet ist;

b) eine Zeitmeßeinrichtung, welche einerseits die Durchlaufzeit (t.) der Abbildung des Fahrzeugs (F) durch den einen Detektor (D.) und andererseits die Dauer (t.,) des Durchlaufs der Abbildung einer vertikalen Fahrzeugkante von dem einen (D.) zum zweiten Detektor (D.) mißt;

c) eine Rechenschaltung, welche aus den beiden Meßzeiten (t., t.,), deren Verhältnis Q₄. _ ik bildet und aus

X XK u — .

diesem sowie der Brennweite (f) der Optik, der als bekannt vorausgesetzten Fahrzeuglänge (1), dem Detektorabstand (d., ) sowie dem Winkel (φ) zwischen der durch den Empfänger gehenden normalen (N) auf dem Fahrweg (S) und der Verbindungslinie (E¹) zwischen dem Empfänger und dem durch die Optik auf den Fahrweg projizierten Ort des zweiten Detektors (D,) die Entfernung (E) zwischen optischem Empfänger und Schnittpunkt der normalen (N) mit dem Fahrweg (S) nach der Gleichung

E = -j—— · cos²ci · Q berechnet, worin f, xk ^ü

1, d., und φ systembedingte Konstanten sind. 1λ >

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der optische Empfänger ein Infrarotempfänger ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der beiden an die

Detektoren (D., D₁) angeschlossenen Signalverarbeitungskanäle eine Schwellwertschalteinrichtung (SV, T) enthält, die aus dem Detektorsignal (t., t, ) ein Rechtecksignal (i, k), vorgegebener Amplitude und mit einer der Durchlaufzeit des Fahrzeugs durch einen der Detektoren entsprechenden Dauer (t. = t, ) ableitet; im zweiten Signalverarbeitungskanal eine die zeitlich gegeneinander versetzten Rechtecksignale (i, k) zur Differenzbildung verknüpfende Gatterschaltung (G; vorgesehen ist, welche ein Rechtecksignal gleicher Amplitude aber dem zeitlichen Abstand der Fahrzeugkantendurchläufe durch die beiden Detektoren (D., D₁) entsprechender Länge (t., ) erzeugt;
in jedem der beiden Signalverarbeitungskanäle ein Zeit/-Amplitudenumsetzer (C) vorgesehen ist; und die Ausgänge beider Umsetzer (C, C,) an die Eingänge einer Dividierschaltung (D₁) angeschlossen sind, an deren Ausgang das entfernungsabhängige Signal (U ) zur Verf(igung steht.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der ersten Dividierschaltung (D₁) und den Ausgang des Umsetzers (C, ) im zweiten Signalverarbeitungskanal die Eingänge einer zweiten Dividierschaltung (D„) angeschlossen sind, die an ihrem Ausgang ein von der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) abhängiges Signal (U ) liefert.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k en η zeichnet, daß die Rechenschaltung ein Mikroprozessor ist.

SAD