-
Die
Erfindung betrifft eine Stereokameraeinrichtung mit wenigstens zwei
justierten, zueinander in definiertem Abstand angeordneten und ausgerichteten
Wärmebildkameras,
welche mit einer Kalibriereinrichtung zu deren fortlaufenden automatischen
Kalibrierung versehen ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein
Verfahren zur fortlaufenden automatischen Kalibrierung einer derartigen
Stereokameraeinrichtung. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Computerprogramm
und ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, um ein
derartiges Verfahren durchzuführen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Kalibrierung des Detektors
wenigstens einer der Wärmebildkameras
einer derartigen Stereokameraeinrichtung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung
eine Überwachungsvorrichtung
für Windkraftanlagen,
Gebäude
mit transparenten Bereichen, Start- und Landebahnen und/oder Flugkorridore
von Flughäfen
mit einer stereoskopischen Erfassung von sich nähernden oder vorhandenen Vögeln oder
Vogelschwärmen.
-
Bei
Start und Landung von Flugzeugen kommt es häufig zu Kollisionen mit Vögeln oder
Vogelschwärmen.
Insbesondere beim Queren von Flugrouten von Vögeln des regionalen und überregionalen
Vogelzugs, welche sich häufig
an Landschaftsstrukturen wie Gewässern,
Tälern
oder Küstenlinien
orientieren, ist diese Gefahr stark erhöht. Bei derartigen Kollisionen
kann es zu Schäden
u. a. an den Triebwerken von Flugzeugen kommen.
-
In
der älteren
nicht vorveröffentlichten
DE 10 2008 018 880
A1 wird dazu eine Überwachungsvorrichtung
für Windkraftanlagen,
Gebäude
mit transparenten Bereichen, Start- und Landebahnen und/oder Flugkorridore
von Flughäfen
mit einer stereoskopischen Erfassung von sich nähernden oder vorhandenen Vögeln oder
Vogelschwärmen
zur Durchführung
eines Überwachungsverfahrens
vorgeschlagen, wobei Parameter wie Flughöhe, Flugrichtung, Fluggeschwindigkeit,
Art und Größe der Vögel oder
der Vogelschwärme
ermittelbar sind. Im Bereich der Windkraftanlagen, Gebäude mit
transparenten Bereichen, Start- und Landebahnen und/oder der Flugkorridore
ist wenigstens eine Stereokameraeinrichtung vorgesehen, welche wenigstens
zwei zueinander in definiertem und angepassten Abstand angeordnete
während
der Aufnahme synchron laufende Kameras, insbesondere Wärmebildkameras,
aufweist, deren Aufnahmezeitpunkte wenigstens annähernd identisch
sind und deren jeweilige Sehfelder einen überlappenden Bereich aufweisen.
-
Werden
Kameras, insbesondere Wärmebildkameras
oder Wärmebildgeräte zu Messaufgaben,
wie beispielsweise die vorstehend erwähnte Stereoskopie verwendet,
sollten diese konstante Eigenschaften, insbesondere mechanische
Stabilität
besitzen. Da die bei der Stereoauswertung der Bilder erreichbaren
Genauigkeiten nicht durch einfache Maßnahmen im Aufbau der Stereokameraeinrichtung
gehalten werden können, muss
mittels geeigneter Verfahren ermittelt werden, wie sich die Systemeigenschaften ändern, um
diese eventuell nachgeschaltet korrigieren zu können. Die vorstehend angeführte Stereokameraeinrichtung
zur Bestimmung des Vorhandenseins bzw. der Fluggeschwindigkeit der
Vögel beruht
auf einer genauen Bestimmung des in einem relativ kurzen Zeitintervall
zurückgelegten
Weges der Tiere. Dazu ist eine genaue Ortsbestimmung an zwei Punkten
notwendig, die sehr empfindlich gegenüber einem relativen Fehler
zwischen den beiden Sichtlinien der Kameras ist. Die vorgenannten
Stereokameraeinrichtungen sollten möglichst so kalibriert werden,
dass über
sehr lange Zeiträume
hochgenaue stereoskopische Messungen erreicht werden können. Für einen
Aufbau derartiger Messsysteme ist eine detaillierte Justagestrategie
für jeden
Aufbauschritt notwendig, welche sicherstellt, dass im letzten Schritt
am Aufstellungsort mit den dann nur noch begrenzt verfügbaren Mitteln
eine umfassende Kalibrierung des Systems erreicht werden kann.
-
Abweichungen
von der beim Aufbau der Stereokameraeinrichtung durchgeführten Kalibrierung
können über die
angestrebte Betriebszeit oftmals nicht völlig vermieden werden. So kann
es z. B. durch eine Verbiegung der mechanischen Basis- bzw. Grundstruktur
des Stereosystems oder durch thermisch bedingte Veränderungen
der Strukturelemente und auch der einzelnen Wärmebildkameras zu Veränderungen
der Sichtlinien der Wärmebildkameras
kommen. Zur fortlaufenden Erkennung und Korrektur dieser Abweichungen
sollten Maßnahmen
konzipiert werden, die gleichzeitig mit den eigentlichen Messungen
im Rahmen der Stereobildauswertung ablaufen können, ohne diese zu stören und
die natürlich
selbst keine zusätzlichen
Fehler in die Stereokameraeinrichtung einbringen dürfen.
-
Starke
Temperaturschwankungen und/oder mechanische Beanspruchungen z. B.
Vibrationen können zu
Veränderungen
von Kameraparametern der Stereokameraeinrichtung führen, insbesondere
von Änderungen
in der Position und Lage sowie der Ausrichtung der jeweiligen Kamera
führen.
Daher kann es erforderlich sein die Stereokameraeinrichtung in kurzen
Abständen
neu zu kalibrieren bzw. sollte die eingesetzte Stereokameraeinrichtung
in der Lage sein, eine kontinuierliche Selbstkalibrierung vorzunehmen.
-
Zudem
weisen Infrarotdetektor-Arrays in der Regel eine starke Inhomogenität ihrer
Einzeldetektorelemente hinsichtlich Dunkelstrom und Verstärkung auf.
Um trotzdem eine akzeptable Bildqualität erreichen zu können, sollte
eine Kalibrierung der Einzeldetektorelemente durchgeführt werden
(sog. Non-Uniformity
Correction, NUC). Für
eine ausreichend gute Homogenisierung des Bildhintergrunds ist dies
in der Regel jedoch nicht ausreichend, da es im Infrarotbereich
außer
der gewünschten
Szenenstrahlung noch weitere Strahlungsquellen gibt, die unerwünscht zu
der Beobachtungsbildinformation beitragen.
-
Die
DE 10 2007 050 558
A1 betrifft ein Verfahren zur fortlaufenden Selbstkalibrierung
einer Bildaufnahmevorrichtung, insbesondere eines Stereo-Kamerasystems,
bei welchem mittels eines Stereo-Verfahrens ein Bildpaar erfasst
wird, anhand dessen durch eine pixelweise Korrespondenzanalyse entlang
von Epipolarlinien ein rektifiziertes Bildpaar ermittelt wird.
-
Ein
System und ein Verfahren zur Erzeugung von räumlichen Bilddarstellungen,
insbesondere von räumlichen
Wärmebildern,
ist in der
EP 1 484
628 A1 angegeben.
-
Die
WO 1994/010535 A1 betrifft
ein Gerät
zum präzisen
Bestimmen eines Parallaxenwinkels eines Wunschzielobjekts mit Photodetektoren
zur Erkennung der Trennung von ersten und zweiten Kanal-Zielfeldbildern
und zur Erkennung der Trennung von ersten und zweiten Kanal-Referenzmarkiererbildern.
Durch einen Vergleich dieser beiden Trennungen kann ein genauer
Parallaxenwinkel des Wunschzielobjekts berechnet werden. Das Gerät enthält ein räumliches
Referenzsystem, mittels welchem das Gerät automatisch geringfügige Fehlausrichtungen
von optischen Elementen berücksichtigen
kann.
-
Zum
weiteren Stand der Technik wird auf die
JP 01251990 A verwiesen.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Stereokameraeinrichtung,
ein Verfahren zur Kalibrierung des Detektors wenigstens einer der
Wärmebildkameras
einer Stereokameraeinrichtung und ein Verfahren zur fortlaufenden
automatischen Kalibrierung einer Stereokameraeinrichtung bzw. ein
Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt zu schaffen, welche
die Nachteile des Standes der Technik vermeiden.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
Anspruch 1 gelöst.
Hinsichtlich des Verfahrens zur fortlaufenden automatischen Kalibrierung
einer Stereoeinrichtung wird die Aufgabe durch Anspruch 12 und hinsichtlich
des Verfahrens zur Korrektur der Ungleichförmigkeit der Einzeldetektorelemente
des Detektors wenigstens einer der Wärmebildkameras einer derartigen
Stereokameraeinrichtung durch Anspruch 18 gelöst. Bezüglich des Computerprogramms
bzw. des Computerprogrammprodukts wird die Aufgabe durch Anspruch 16
bzw. Anspruch 17 gelöst.
-
Erfindungsgemäß wird eine
Stereokameraeinrichtung mit wenigstens zwei justierten, zueinander
in definiertem Abstand angeordneten und ausgerichteten Wärmebildkameras
vorgeschlagen, welche mit einer Kalibriereinrichtung zu deren fortlaufenden
automatischen Kalibrierung versehen ist, wobei die Kalibriereinrichtung
eine Strahlungsquelle und einen Referenzstrahlengang aufweist, mittels
welchem ein Referenzbild von der Strahlungsquelle auf die jeweilige
Wärmebildkamera
abgebildet wird, wobei ein von der Strahlungsquelle ausgehendes
kollimiertes Strahlenbündel
in wenigstens zwei Teilstrahlenbündel
geteilt wird, wobei die wenigstens zwei Teilstrahlenbündel jeweils über wenigstens
ein der jeweiligen Wärmebildkamera
zugeordnetes optisches Umlenkelement auf diese gelenkt werden und
wobei wenigstens eines der optischen Umlenkelemente als Pentaprisma
ausgebildet ist. In Ausbreitungsrichtung des Beobachtungslichts
der jeweiligen Wärmebildkamera
vor dem optischen Umlenkelement der Wärmebildkamera ist zur Kalibrierung
des Detektors der Wärmebildkamera
eine in den Beobachtungsstrahlengang der Wärmebildkamera ein- und aus-
schwenkbare Defokussierlinse vorgesehen.
-
Des
Weiteren wird ein erfindungsgemäßes Verfahren
zur fortlaufenden automatischen Kalibrierung der erfindungsgemäßen Stereokameraeinrichtung
vorgeschlagen, wobei das Referenzbild auf den wenigstens zwei Wärmebildkameras
in vorgegebenen, insbesondere regelmäßigen Zeitabständen lokalisiert
wird, wonach die relative Position und/oder die relative Orientierung
des Referenzbildes zu den Referenzbildern der weiteren Wärmebildkameras
bestimmt wird, und wonach daraus bei Erkennung einer Veränderung
eine entsprechende Korrektur der Parameter für die Stereoauswertung ermittelt
und vorgenommen wird.
-
Durch
diese Maßnahmen
wird es ermöglicht
Stereokameraeinrichtungen, insbesondere Stereowärmebildkameras so zu kalibrieren,
dass über
sehr lange Zeiträume
hochgenaue stereoskopische Messungen erzielt werden können. Es
werden Systemgenauigkeiten erreicht, die durch passive Maßnahmen
nicht realisierbar sind. Das vorgeschlagene Verfahren basiert auf
einer Startkalibrierung sowie auf einer automatischen Nachführkalibrierung,
welche die Änderungen
gegen die bei der Startkalibrierung vorhandenen Systemparameter
für die
Stereoauswertung bzw. die Bildverarbeitung ermittelt und gegebenenfalls
entsprechende Korrekturen vornimmt.
-
Um
die Sichtlinien der beiden Wärmebildkameras,
welche auf einer Basisstruktur mit gegebenenfalls höherer Basislänge montiert
sind, über
längere
Zeit ausgerichtet zu halten, wird ein Bezug zur Achse eines Referenzstrahlengangs
bzw. Referenzkollimators hergestellt. Dazu wird das von dem Referenzstrahlengang ausgehende
Strahlenbündel
geteilt und die entstehenden Teilstrahlenbündel mit geeigneten Umlenkelementen
wie Spiegeln oder Prismen in die jeweilige Eintrittspupille einer
Wärmebildkamera
umgelenkt. Durch den Einsatz wenigstens eines Pentaprismas als optisches
Umlenkelement einer Wärmebildkamera
ist sichergestellt, dass die durch die Umlenkung erzeugten Referenzstrahlen
unabhängig
von der genauen Winkelposition des Pentaprismas stets senkrecht
bzw. parallel zur Achse des Referenzstrahlengangs ausgerichtet sind,
da es eine Besonderheit des Pentaprismas ist, dass der Austrittswinkel
des Lichtstrahls immer 90 Grad zum Eintrittswinkel steht. Damit
ist das Pentaprisma invariant gegenüber Störgrößen (z. B. Verkippen des Pentaprismas). Etwaige
Winkeländerungen
des Referenzstrahlengangs bzw. der Strahlungsquelle oder des Kollimators
erzeugen gleichsinnige Ablagen in beiden Wärmebildkameras und können somit
erkannt und von den relevanten Fehlern bzw. Abweichungen unterschieden
werden. Die Referenzstrahlen für
beide Wärmebildkameras
bleiben in jedem Fall senkrecht bzw. parallel zur aktuellen Achse
des Referenzstrahlengangs, so dass die Sichtlinien der beiden Wärmebildkameras
kontrolliert und elektronisch bzw. über die Stereoauswertung in
der Bildverarbeitung nachgeführt
werden können.
Aufgrund der zu erwartenden starken und zudem inhomogenen Einstrahlung
aus dem Referenzstrahlengang in die Wärmebildkamera sollte die Kalibrierung der
Einzeldetektorelemente möglichst
viele dieser Strahlungsanteile bereits erfassen können. Da
sich die Innentemperatur der Stereokameraeinrichtung und die Szenentemperatur
(z. B. kalter Himmel) sehr stark voneinander unterscheiden können, sollte
die Kalibrierung möglichst
nahe bei der Szenentemperatur durchgeführt werden. Sehr vorteilhaft
ist es daher, bei der Kalibrierung eine Defokussierlinse zwischen
dem wenigstens einen Pentaprisma und einem Ausblickfenster der Stereokameraeinrichtung
einzuschwenken, um die unerwünschten
Strahlungsanteile bei der Kalibrierung mit zu erfassen. Um zu verhindern,
dass die Referenzstruktur bzw. das Referenzbild durch die Kalibrierung
vorab entfernt wird, sollte die Strahlungsquelle bei der Kalibrierung
abgeschaltet bzw. entsprechend auf die Innentemperatur der Stereokameraeinrichtung
geregelt werden.
-
Erfindungsgemäß kann ferner
vorgesehen sein, dass wenigstens ein optisches Teilelement zur Teilung des
Strahlenbündels
in die Teilstrahlenbündel
vorgesehen ist.
-
Dadurch
können
verschiedenartige, insbesondere symmetrische Referenzstrahlengänge eingesetzt werden.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn das optische Teilerelement als 90-Grad-Prisma ausgebildet ist. Eine Verkippung
des 90-Grad-Prismas
hat wiederum eine gleichsinnige Verschiebung der Referenzbilder
bzw. Target-Bilder zur Folge, welche ebenfalls kompensiert werden
kann, so dass keine weiteren Fehler bzw. Abweichungen eingebracht
werden.
-
Sehr
vorteilhaft ist es, wenn der Referenzstrahlengang symmetrisch ausgeführt ist,
da dann die geometrischen Verhältnisse
für die
wenigstens zwei Wärmebildkameras
gleich sind. Hierzu kann ein verspiegeltes 90-Grad-Prisma zur Pupillenteilung
in den Referenzstrahlengang eingebracht sein. Durch das zusätzliche 90-Grad-Prisma
werden vorteilhafterweise keine neuen Fehler eingebracht, die nicht
erkennbar sind.
-
Zur
Kollimierung des von der Strahlungsquelle ausgehenden Strahlenbündels kann
der Referenzstrahlengang einen Kollimator bzw. Referenzkollimator
aufweisen.
-
Der
Referenzstrahlengang sollte selbstverständlich selbst keine unkontrollierbaren
Fehler bzw. Abweichungen in die Stereokameraeinrichtung einbringen.
Mögliche
Fehlerquellen sind in erster Linie ungewollte Veränderungen
der Positionierung der optischen Elemente des Referenzstrahlengangs,
d. h. des Pentaprismas, des 90-Grad-Prismas und des Kollimators.
Rein translatorische Verschiebungen sind dabei unproblematisch.
Da die hinzugefügten
optischen Bauelemente nur Planflächen
aufweisen und in dem kollimierten optischen Referenzstrahlengang
angeordnet sind, tritt lediglich eine Pupillenverschiebung auf und
keine Änderung der
Bildlage.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn die Strahlungsquelle ein thermoelektrisches Element,
insbesondere ein Peltierelement aufweist. Ein derartiges thermoelektrisches
Element bzw. Kühlelement
kann unter Beaufschlagung von Strom sowohl zum Erwärmen als
auch zum Kühlen
eingesetzt werden. Demnach kann das Target- bzw. Referenzbild eingeblendet
(Referenzbild weist eine Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur
auf) oder ausgeblendet (Referenzbild hat Umgebungstemperatur) werden.
Das Referenzbild kann beispielsweise als Kreuz- bzw. Fadenkreuzstruktur
ausgebildet sein und aus einem Trägerelement (beispielsweise
aus Blech) herausgestanzt bzw. in dieses reingeätzt sein. Ein derartiges Trägerelement
kann dann mit dem thermoelektrischen Element verbunden oder wenigstens
ein Teil des thermoelektrischen Elements sein.
-
Erfindungsgemäß kann ferner
vorgesehen sein, dass die Austrittsfläche des wenigstens einen Pentaprismas
im Bereich der Eintrittspupille der jeweiligen zugeordneten Wärmebildkamera
angeordnet ist.
-
Die
Teilung des Strahlengangs in Beobachtungs- und Referenzstrahlengang
sollte im Bereich der Eintrittspupille der Wärmebildkamera erfolgen, damit
deren Bildqualität
nicht beeinträchtigt
wird.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn der Referenzstrahlengang einen Tubus aufweist. Dadurch
werden unerwünschte
Abstrahlungen minimiert. Zusätzlich
kann der Tubus mattschwarz ausgeführte Innenflächen und
zusätzliche
Blendenringe aufweisen.
-
In
Anspruch 11 ist eine Überwachungsvorrichtung
für Windkraftanlagen,
Gebäude
mit transparenten Bereichen, Start- und Landebahnen und/oder Flugkorridore
von Flughäfen
mit einer stereoskopischen Erfassung von sich nähernden oder vorhandenen Vögeln oder
Vogelschwärmen
angegeben. Diese kann in vorteilhafter Weise aufgrund der einfachen
und genauen Nachführkalibrierung
ihrer wenigstens einen erfindungsgemäßen Stereokameraeinrichtung über sehr
große
Zeiträume
hinweg autark arbeiten.
-
Aufgrund
einer erkannten relativen Verschiebung des Referenzbildes zu den
Referenzbildern der weiteren Wärmebildkameras
kann eine Verschiebung eines Detektors wenigstens einer der Wärmebildkameras oder
eine Verkippung bzw. Verbiegung wenigstens einer der Wärmebildkameras
parallel und/oder senkrecht zur Bezugsebene oder zu einer Basisstruktur
bzw. Basislinie der Stereokameraeinrichtung erkannt werden.
-
Aufgrund
einer relativen Rotation des Referenzbildes zu den Referenzbildern
der weiteren Wärmebildkameras
kann eine Verdrehung wenigstens einer der Wärmebildkameras oder eines Detektors
wenigstens einer der Wärmebildkameras
um dessen optische Achse erkannt werden.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn eine Startkalibrierung der Stereokameraeinrichtung
durchgeführt
wird.
-
Nach
Aufbau der Wärmebildkameras
der Stereokameraeinrichtung können
Restfehler vorhanden sein, welche nicht durch Justage eliminiert
werden können.
Derartige Fehler können
dann nur durch eine Kalibrierung mit Hilfe von geeigneten Bildverarbeitungsmethoden
reduziert werden. Hierzu werden geeignete Ziele bzw. Targets in
der Landschaft an bekannter Position verwendet. Die Entfernung sollte
idealerweise der späteren
Arbeitsentfernung entsprechen, was jedoch durch räumliche
Gegebenheiten oft nicht gewährleistet
ist. Der Kalibriervorgang erfolgt dann durch Vergleiche mit den
bekannten Target-Positionen in der Szene. Das Ergebnis der Kalibrierung
ist eine konstante Zuordnung der Feldwinkel zu den Pixeln der Wärmebildkameras.
Da sich ab diesem Zeitpunkt Änderungen
in der Anordnung ergeben können,
sollte parallel sofort mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur fortlaufenden
automatischen Kalibrierung der Stereokameraeinrichtung begonnen
werden. Diese kann dann relativ zu den späteren Messungen Veränderungen
der Anordnung zeigen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur fortlaufenden automatischen Kalibrierung der erfindungsgemäßen Stereokameraeinrichtung
ist vorzugsweise als Computerprogramm auf einer Bildverarbeitungseinrichtung der
erfindungsgemäßen Stereokameraeinrichtung
realisiert. Dazu ist das Computerprogramm in einem Speicherelement
der Bildverarbeitungseinrichtung gespeichert. Durch Abarbeitung
auf einem Mikroprozessor der Bildverarbeitungseinrichtung wird das
Verfahren ausgeführt.
Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Datenträger (Diskette,
CD, DVD, Festplatte, USB-Memorystick oder dergleichen) oder einem
Internetserver als Computerprogrammprodukt gespeichert sein und
von dort aus in das Speicherelement der Bildverarbeitungseinrichtung übertragen
werden. Ein derartiges Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt
mit Programmcodemitteln ist in Anspruch 16 bzw. Anspruch 17 angegeben.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Nachfolgend sind anhand der Zeichnungen prinzipmäßig Ausführungsbeispiele der Erfindung
angegeben.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Stereokameraeinrichtung in einer Überwachungsvorrichtung;
-
2 eine
vereinfachte Darstellung einer Anordnung der Stereokameraeinrichtung
aus 1 im Bereich eines Flugkorridors eines Flugzeugs;
-
3 eine
vereinfachte Darstellung einer Startkalibrierung einer Stereokameraeinrichtung;
-
4 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stereokameraeinrichtung;
-
5 eine
vereinfachte schematische Darstellung des Strahlengangs der Stereokameraeinrichtung gemäß der ersten
Ausführungsform
mit einer Winkeländerung
eines Kollimators;
-
6 eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Stereokameraeinrichtung;
-
7 eine
vereinfachte schematische Darstellung des Strahlengangs der Stereokameraeinrichtung gemäß der zweiten
Ausführungsform
mit einer Verkippung des Kollimators;
-
8 eine
vereinfachte schematische Darstellung eines Strahlengangs der Stereokameraeinrichtung gemäß der zweiten
Ausführungsform
mit einer Verkippung eines Teilerelements;
-
9 eine
vereinfachte schematische Darstellung eines Strahlengangs der Stereokameraeinrichtung gemäß der zweiten
Ausführungsform
mit einer Andeutung von Bildlagen;
-
10 eine
vereinfachte schematische Darstellung eines Sehfeldes eines Referenzstrahlengangs
der Stereokameraeinrichtung;
-
11 eine
vereinfachte Darstellung einer Eintrittspupille einer Wärmebildkamera
der Stereoeinrichtung mit einem Pentaprisma;
-
12 eine
vereinfachte Darstellung der Teilung der Eintrittspupille der Wärmebildkamera;
-
13 eine
vereinfachte Darstellung der Aufteilung des Sehfelds einer Wärmebildkamera
im Referenzstrahlengang;
-
14 eine
schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines Pentaprismas;
-
15 eine
vereinfachte Darstellung einer Fehlerfortpflanzung von Herstellungsfehlern
in einem Pentaprisma;
-
16 eine
vereinfachte Darstellung des Strahlenversatzes durch Positionierungsfehler
eines Pentaprismas;
-
17 eine
schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Stereokameraeinrichtung;
-
18 eine
schematische Darstellung eines Teils der erfindungsgemäßen Stereokameraeinrichtung;
-
19 eine
schematische Darstellung eines Teils der erfindungsgemäßen Stereokameraeinrichtung mit
ausgeschwenkter Defokussierlinse; und
-
20 eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Stereokameraeinrichtung
mit eingeschwenkter Defokussierlinse.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend im Rahmen einer Überwachungsvorrichtung für Windkraftanlagen, Gebäude mit
transparenten Bereichen, Start- und Landebahnen und/oder Flugkorridore
von Flughäfen
beschrieben. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Anwendung
beschränkt.
-
In 1 ist
eine Stereokameraeinrichtung 1 einer Überwachungsvorrichtung 2 für Start-
und Landebahnen und/oder Flugkorridore 11 (siehe 2)
von Flughäfen
mit einer stereoskopischen Erfassung von sich nähernden Vögeln 6 oder Vogelschwärmen 6', wobei Parameter
wie Flughöhe,
Flugrichtung, Fluggeschwindigkeit und Art/Größe der Vögel 6 oder der Vogelschwärme 6' ermittelbar
sind, dargestellt. Eine oder mehrere derartiger Stereokameraeinrichtungen 1 sind
im Bereich der Start- und Landebahnen (nicht dargestellt) und/oder
der Flugkorridore 11 angeordnet und weisen wenigstens zwei
zueinander in definiertem und angepasstem Abstand angeordnete während der
Aufnahme synchron laufende Wärmebildkameras 3a, 3b auf.
Die Aufnahmezeitpunkte der Wärmebildkameras 3a, 3b sind
wenigstens annähernd
identisch und deren jeweilige Sehfelder 4a, 4b weisen
einen überlappenden
Bereich 5 auf. In dem überlappenden
Bereich 5 wird als Objekt ein Vogel 6 erfasst.
Die zwei Wärmebildkameras 3a, 3b sind
zueinander justiert und kalibriert. Für die Wärmebildkameras 3a, 3b kommen
sowohl Wärmebildbereiche
wie LWIR, MWIR, VLWIR, FIR, als auch SWIR, NIR in Betracht.
-
Die
Stereokameraeinrichtung 1 weist eine Bildverarbeitungseinrichtung 7 auf,
welche zur Verarbeitung der mit den zwei Wärmebildkameras 3a, 3b aufgenommenen
Bilddaten vorgesehen ist.
-
Die
Stereokameraeinrichtung 1 weist darüber hinaus eine Funkstation 8 als
Schnittstelle, insbesondere Netzwerkschnittstelle, zur Kommunikation
mit weiteren Stereokameraeinrichtungen 1 oder mit übergeordneten
Systemen, insbesondere Flugsicherungssystemen 9, auf (in 1 durch
den Doppelpfeil 8' angedeutet).
Die Stereokameraeinrichtung 1 arbeitet autonom. Jedoch
können
mittels der Vernetzung bzw. der Funkübertragung über die Funkstation 8 weitere
Stationen bzw. Stereokameraeinrichtungen 1 verbunden werden. Die
Informationen wie auch die Aufnahmen stehen somit außerhalb
der einzelnen Station zur Verfügung. Hauptsächlich werden
diese Daten der Flugsicherung übermittelt.
-
Auf
der Bildverarbeitungseinrichtung 7 der Stereokameraeinrichtung 1 läuft u. a.
ein Überwachungsverfahren
für Start- und Landebahnen
und/oder Flugkorridore 11 von Flughäfen ab, mit welchem sich nähernde Vögel 6 oder
Vogelschwärme 6' stereoskopisch
mittels der Überwachungsvorrichtung 2 bzw.
der Stereokameraeinrichtung 1 erfasst werden, wobei Parameter
wie Flughöhe,
Flugrichtung, Fluggeschwindigkeit und Art/Größe der Vögel 6 oder der Vogelschwärme 6' bzw. deren
Schwarmdichte ermittelt werden. Die Parameter werden mittels einer
Stereoauswertung bestimmt. Dabei werden durch die wenigstens zwei
Blickwinkel auf den durch die wenigstens zwei Wärmebildkameras 3a, 3b der
Stereokameraeinrichtung 1 aufgenommenen Bereich 5 absolute
Raumpunkte der zu erfassenden Vögel 6 oder
Vogelschwärme 6' bestimmt. Die
Fluggeschwindigkeit der Vögel 6 oder
der Vogelschwärme 6' wird durch
eine Betrachtung über
eine entsprechende Zeitspanne bestimmt. Auch Vögel 6 oder Vogelschwärme 6' in größerer Entfernung
können
erfasst werden, wobei eine entsprechend längere Brennweite für die zwei
Wärmebildkameras 3a, 3b verwendet
wird. Zusätzlich
können
auch Flugobjekte wie Modellflugzeuge, Lenkdrachen oder dergleichen
von der Stereokameraeinrichtung 1 erfasst werden (nicht
dargestellt).
-
Anhand
der Parameter wird eine Bewertung durchgeführt und gegebenenfalls eine
entsprechende Warnmeldung ausgegeben.
-
Wie
aus 2 ersichtlich, überwacht eine Stereokameraeinrichtung 1 mit
einem Stereosichtbereich bzw. überlappenden
Bereich 5 eine bekannte Flugroute 10 von Vögeln 6 bzw.
Vogelschwärmen 6'. Die Stereokameraeinrichtung 1 ist
dabei so angeordnet, dass ein Flugkorridor 11 bzw. ein
Kreuzungsbereich 12 des Flugkorridors 11 mit der
bekannten Flugroute 10 der Vögel 6 oder Vogelschwärme 6' überwacht
wird. Im Flugkorridor 11 ist ein Flugzeug 13 beispielhaft
dargestellt. Ein Ankunftszeitpunkt der erfassten Vögel 6 oder
der erfassten Vogelschwärme 6' an dem Kreuzungsbereich 12 mit
dem Flugkorridor 11 des Flugzeugs 13 wird ebenfalls
bestimmt.
-
Bei
Erfassung von Vögeln 6 oder
Vogelschwärmen 6' wird gegebenenfalls
eine Warnmeldung zur Einleitung von Gegenmaßnahmen bzw. Minderungs- oder
Vermeidungsmaßnahmen
an das übergeordnete
System, insbesondere Flugsicherungssystem 9, oder an startende
oder landende Flugzeuge 13 ausgegeben.
-
Die
Stereokameraeinrichtung 1 sollte konstante Eigenschaften,
insbesondere mechanische Stabilität besitzen. Da die bei der
Stereoauswertung der Bildverarbeitung erreichbaren Genauigkeiten
nicht durch einfache Maßnahmen
in der mechanischen Anordnung der Stereokameraeinrichtung 1 gleichbleibend
gehalten werden können,
muss mittels geeigneter Verfahren ermittelt werden, wie sich die
Systemeigenschaften der Stereokameraeinrichtung 1 zeitlich ändern, um
diese eventuell nachgeschaltet korrigieren zu können.
-
Nach
Aufbau der Wärmebildkameras 3a, 3b der
Stereokameraeinrichtung 1 können Restfehler vorhanden sein,
die nicht durch mechanische Justage eliminiert werden können. Derartige
Fehler kann man nur durch eine Kalibrierung vor Ort mit Hilfe von
geeigneten Bildverarbeitungsmethoden auf der Bildverarbeitungseinrichtung 7 reduzieren.
In 3 ist dazu die Grundstruktur als Teil einer Stereokameraeinrichtung 1 gezeigt. Die
Wärmebildkameras 3a, 3b sind
auf einer Basisstruktur 14 in einem Gehäuse 15 zueinander
in definiertem Abstand angeordnet und ausgerichtet. Das Gehäuse 15 weist
Ausblickfenster 16 für
die Beobachtungsstrahlengänge
bzw. Sichtlinien 17a, 17b für die Sehfelder 4a, 4b der
Wärmebildkameras 3a, 3b auf.
Wenn die Wärmebildkameras 3a, 3b auf
die Basisstruktur 14 im vorzugsweise klimatisierten Gehäuse 15 montiert
sind, addieren sich alle bisherigen Restfehler zu den Montagefehlern
und den durch die Ausblickfenster 16 verursachten Winkelfehlern.
Zur Startkalibrierung werden geeignete Targets bzw. Ziele 18 in
der Landschaft an bekannter Position eingesetzt. Als Ziele 18 eignen
sich beispielsweise Pfosten, Tafeln oder dergleichen. Die Entfernung
sollte idealerweise der späteren
Arbeitsentfernung entsprechen. Der Startkalibriervorgang erfolgt
dann durch Lokalisierung der Ziele 18 durch die Stereokameraeinrichtung 1 mit
einer Messung der zugehörigen
Winkelkoordinaten und einem Vergleich mit den tatsächlichen
bekannten Positionen der Ziele 18 in der Landschaft. Das
Resultat ist eine konstante Eichung der Wärmebildkameras 3a, 3b,
d. h. den einzelnen Pixeln werden Feldwinkel zugeordnet. Des Weiteren
erfolgt ein Plausibilitätstest
mit den bekannten Wärmebildkameradaten.
Da sich ab diesem Zeitpunkt Änderungen
in der Anordnung ergeben können,
beispielsweise durch Temperaturänderungen
bedingte Verbiegungen der Basisstruktur 14, sollte anschließend bereits
die erste Messung der Nachführkalibrierung
durchgeführt
werden. Somit ist es möglich
die Stereokameraeinrichtung 1 derart automatisch zu kalibrieren,
dass über
sehr lange Zeiträume
hochgenaue stereoskopische Messungen ermöglicht werden. Dadurch können Systemgenauigkeiten
erzielt werden, die durch passive Maßnahmen nicht erreichbar sind.
Es erfolgt eine automatische Nachführkalibrierung bzw. Selbstkalibrierung,
die Veränderungen gegenüber den
bei der Startkalibrierung vorhandenen Systemparametern ermittelt.
-
Wie
aus 4 ersichtlich, wird eine Stereokameraeinrichtung 1 mit
zwei justierten zueinander in definiertem Abstand angeordneten und
ausgerichteten Wärmebildkameras 3a, 3b vorgeschlagen,
welche mit einer Kalibriereinrichtung 19 zu deren fortlaufenden
automatischen Kalibrierung versehen ist, wobei die Kalibriereinrichtung 19 einen
Referenzstrahlengang 20 mit einer als thermoelektrisches
Element bzw. Peltierelement mit einer Referenzstruktur ausgebildeten
Strahlungsquelle 21 aufweist, mittels welchem ein Referenzbild von
der Strahlungsquelle 21 auf die jeweilige Wärmebildkamera 3a, 3b abgebildet
wird, wobei ein von der Strahlungsquelle 21 ausgehendes
kollimiertes Strahlenbündel 22 in
zwei Teilstrahlenbündel 22a, 22b geteilt wird,
wobei die zwei Teilstrahlenbündel 22a, 22b jeweils über ein
der jeweiligen Wärmebildkamera 3a, 3b zugeordnetes
optisches Umlenkelement 23a, 23b auf diese gelenkt
werden und wobei die optischen Umlenkelemente als Pentaprismen 23a, 23b ausgebildet
sind. Der Referenzstrahlengang 20 weist zur Kollimierung
der Strahlenbündel
einen Kollimator 24 auf.
-
Wie
weiter aus der 4 ersichtlich, weisen die Wärmebildkameras 3a, 3b Detektoren 25a, 25b mit nicht
näher dargestellten
Einzeldetektorelementen auf. Die Pentaprismen 23a, 23b weisen
Eintrittsflächen 26a, 26b und
Austrittsflächen 27a, 27b auf.
Die Austrittsflächen 27a, 27b der
Pentaprismen 23a, 23b sind wenigstens annähernd im
Bereich der Eintrittspupillen 28a, 28b der jeweiligen
zugeordneten Wärmebildkameras 3a, 3b angeordnet.
-
In 5 sind
die Beobachtungsstrahlengänge 17a, 17b und
der Referenzstrahlengang 20 der Stereokameraeinrichtung 1 stark
vereinfacht angedeutet. Wie durch die Winkel 29 gezeigt,
resultiert eine etwaige Winkelveränderung des Kollimators 24 in
gleichsinnigen Ablagen in beiden Wärmebildkameras 3a, 3b bzw.
auf deren Detektoren 25a, 25b. Die Referenzstrahlen
bzw. Teilstrahlenbündel 22a, 22b für beide
Wärmebildkameras 3a, 3bbleiben
jedoch in jedem Fall senkrecht zur aktuellen Achse des Kollimators 24,
so dass die Sichtlinien 17a, 17b der beiden Wärmebildkameras 3a, 3b gegebenenfalls
kontrolliert und elektronisch nachgeführt werden können.
-
In 6 ist
eine weitere Ausführungsform
einer Stereokameraeinrichtung 1' mit einem symmetrisch ausgeführten Referenzstrahlengang 20' dargestellt.
Dazu ist ein optisches Teilerelement 30 zur Teilung des Strahlenbündels 22 in
die Teilstrahlenbündel 22a, 22b vorgesehen.
Das optische Teilelement ist als 90-Grad-Prisma 30 ausgebildet.
Es ist vorteilhaft, den Referenzstrahlengang 20 möglichst
symmetrisch aufzubauen, damit die geometrischen Verhältnisse
für beide
Wärmebildkameras 3a, 3b möglichst
gleich sind. Dies ist in einfacher Weise mit einem entsprechend
verspiegelten 90-Grad-Prisma 30 zur Pupillenteilung im
Referenzstrahlengang 20 möglich. Die nachfolgende Fehleranalyse
zeigt, dass durch das zusätzliche 90-Grad-Prisma 30 keine
neuen Fehler entstehen können,
welche nicht erkennbar sind.
-
Ein
Referenzstrahlengang 20, 20' darf selbstverständlich nicht
selbst unkontrollierbare Fehler erzeugen. Mögliche Fehlerquellen bei der
Stereokameraeinrichtung 1, 1' sind in erster Linie ungewollte
Veränderungen
der Positionierung der hinzugefügten
optischen Elemente (Pentaprismen 23a, 23b, 90-Grad-Prisma 30 und
Kollimator 24). Rein translatorische Verschiebungen sind
dabei eher unproblematisch. Da die hinzugefügten optischen Bauelemente 23a, 23b, 24, 29 nur
Planflächen
aufweisen und im kollimierten Strahlengang 22 angeordnet
sind, kann lediglich eine Pupillenverschiebung und keine Änderung
der Bildlage auftreten.
-
Für die Genauigkeit
der Positionsgeschwindigkeitsberechnungen sind alle Winkeländerungen
in der Bezugsebene, welche vorliegend von der Basisstruktur 14 und
den Sichtlinien 17a, 17b der Wärmebildkameras 3a, 3b aufgespannt
wird, besonders kritisch. Eine Verdrehung der Pentaprismen 23a, 23b bewirkt
aufgrund des besonderen Funktionsprinzips dieser Bauelemente keine
Winkeländerungen
und erzeugt somit keine zusätzlichen
Fehler. Eine Verkippung des Kollimators 24 bewirkt wiederum
eine gleichsinnige Verschiebung der Referenzbilder in beiden Wärmebildkameras 3a, 3b (siehe 7 bzw.
dort Winkel 29), welche erkannt und kompensiert werden
können
und somit auch keinen Fehler erzeugt.
-
Aus
einem Kippwinkel α1 des Kollimators 24 ergibt sich
die resultierende fehlerhafte Abweichung δ1 des
einzelnen Referenzbildes auf dem jeweiligen Detektor 25a, 25b mit
Hilfe der Brennweite FW der Wärmebildkamera 3a, 3b zu: Ablagefehler δ1 = FW·tanα1 [mm].
-
Eine
Verkippung des 90-Grad-Prismas 30 hat wie bei dem Kollimator 24 eine
gleichsinnige Verschiebung der Referenzbilder in beiden Wärmebildkameras 3a, 3b zur
Folge, die ebenfalls kompensiert werden kann, so dass keine weiteren
Fehler entstehen (siehe 8 bzw. dort Winkel 29).
-
Aus
dem Kippwinkel α2 des 90-Grad-Prismas 30 ergibt
sich die resultierende fehlerhafte Abweichung δ2 der
einzelnen Referenzbilder auf dem jeweiligen Detektor 25a, 25b mit
Hilfe der Brennweite FW der Wärmebildkameras 3a, 3b zu: Ablagefehler δ2 = FW·tan2α2 [mm].
-
Eine
Rotation des Kollimators 24 um seine optische Achse erzeugt
eine gleichsinnige Rotation der Referenzbilder in beiden Wärmebildkameras 3a, 3b,
da die Bildlagen in beiden Wärmebildkameras 3a, 3b,
wie in 9 angedeutet, gleich sind. Auch diese Abweichung
kann kompensiert werden, so dass keine neuen Fehler entstehen. Die
jeweiligen Bildlagen sind in 9 durch
gekreuzte Pfeile 31 angedeutet.
-
Die
Auswirkungen von fehlerhaften Verkippungen der optischen Bauelemente 23a, 23b, 24, 29 senkrecht
zur Bezugsebene sind weniger gravierend, da sie nicht direkt in
die Genauigkeit der Stereoauswertung eingehen. Eine Verkippung des
Kollimators 24 und/oder des 90-Grad-Prismas 30 wirkt
wiederum gleichsinnig auf beide Wärmebildkameras 3a, 3b und
kann daher erkannt und kompensiert werden. Eine Verkippung eines einzelnen
Pentaprismas 23a, 23b führt zu einer Verschiebung des
Referenzbildes auf der zugehörigen
Wärmebildkamera 3a, 3b,
die nicht von den Fehlern des übrigen
Messsystems zu unterscheiden ist und daher zu einem zusätzlichen
Fehler führen
kann. Bei entsprechend stabilem Aufbau kann man jedoch davon ausgehen, dass
derartige Fehler gering bzw. selten und damit tolerierbar sind.
-
Aus
dem Kippwinkel β3 des Pentaprismas 23a, 23b ergibt
sich die resultierende fehlerhafte Abweichung δ3 des
zugehörigen
Referenzbildes auf dem Detektor 25a, 25b bzw.
der Wärmebildkamera 3a, 3b mit Hilfe
der Brennweite FW der Wärmebildkameras 3a, 3b zu: Ablagefehler δ3 = FW·tanβ3 [mm].
-
Die
Eintrittspupille des Kollimators 24 liegt in seinem Objektiv
(nicht näher
bezeichnet), während
die Eintrittspupillen 28a, 28b der Objektive der
Wärmebildkameras 3a, 3b in
relativ geringem Abstand vor dem jeweils ersten Linsenscheitel liegen.
Da sonst keinerlei Linsenoptik im Referenzstrahlengang 20, 20' vorgesehen ist,
ergibt sich das maximal übertragbare
Referenzsehfeld FOVREF des Referenzstrahlengangs 20, 20' aus der Größe des Pentaprismas 23a, 23b und
der Basislänge
b (im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist b = 1,5 m). Für
größere Feldwinkel
werden die Strahlenbündel
bis zu 100 beschnitten. Aus der in 10 dargestellten
Geometrie ergibt sich, dass nur dann ein Feldpunkt von einer Wärmebildkamera 3a, 3b noch
mit endlicher Helligkeit abgebildet werden kann, wenn das zugehörige Strahlenbündel auf
die Eintrittsfläche 26a, 26b des
zugehörigen
Pentaprismas 23a, 23b trifft. Aus der Winkelbedingung
für das
gerade nicht mehr auftreffende Randstrahlenbündel (Vergleich auf vollständigen Beschnitt
des Bildpunktes) ergibt sich ein Randwinkel α des Sehfelds für den Referenzstrahlengang 20' zu: Sehfeldrandwinkel α3 =
arctanp/b,
wobei b die Basislänge und p die Höhe der Eintrittsfläche 26a, 26b des
Pentaprismas 23a, 23b ist. Das volle Sehfeld FOVREF ist doppelt so groß, d. h. Referenzsehfeld
FOVREF = 2α3
-
Für b = 3
m und p = 10 mm ergibt sich für α3 =
0,2 Grad. Das volle Referenzsehfeld FOVREF ist
also ca. 0,4 Grad, was ungefähr
24 Pixeln entspricht. Die Helligkeit ist in der Mitte maximal und
fällt zum
Rand hin auf 0 ab. Auf dem Detektor 25a, 25b der
Wärmebildkamera 3a, 3b mit
640 × 512
Pixeln nimmt das Referenzbild maximal 24 × 24 Pixel in Anspruch.
-
Die
Teilung des Strahlengangs in Beobachtungsstrahlengang
17a,
17b und
Referenzstrahlengang
20,
20' sollte in der Eintrittspupille
28a,
28b der
Wärmebildkamera
3a,
3b geschehen,
damit die Bildqualität
nicht beeinträchtigt
wird. Ein realistisches Teilungsverhältnis ist aus
11 ersichtlich.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
weist die Eintrittspupille
28a,
28b der Wärmebildkamera
3a,
3b einen
Durchmesser von 27,5 mm auf. Das Pentaprisma
23a,
23b weist
eine Fläche
von 10 mm × 10
mm auf, wobei eine Abschattung
32 der Pupille
28a,
28b der
Wärmebildkamera
3a,
3b von
11 mm × 11
mm vorhanden ist. Die Pupille des Referenzstrahlengangs
20,
20' beträgt daher
10 mm × 10
mm. Bedingt durch die räumliche
Ausdehnung des Pentaprismas
23a,
23b entsteht
ein zusätzlicher
Flächenverlust
durch Abschattung, wie in
12 dargestellt.
Das resultierende Sehfeld
33 ist in
12 nochmals
gezeigt. Durch das eingefügte
Pentaprisma
23a,
23b und die Abschattung
32 wird
die Fläche
der Eintrittspupille
28a,
28b des Beobachtungsstrahlengangs
17a,
17b der Wärmebildkamera
3a,
3b verkleinert,
wodurch sich die F-Zahl etwas verschlechtert.
| Wärmebildkamera 3a, 3b vorher | Wärmebildkamera 3a, 3b mit
Pentaprisma 23a, 23b
| Pentaprisma 23a, 23b
|
Eintrittspupillenfläche [mm2] | ∅27,5
= 594 | 594 – 11 × 11 = 473 | 10 × 10 = 100 |
Effektiver
Durchmesser der Eintrittspupille [mm] | 27,5 | 24,5 | 11,3 |
Effektive
F-Zahl | F/2.0 | F/2.24 | F/4.9 |
-
Die
Eintrittsfläche 26a, 26b des
Pentaprismas 23, 23b stellt die wirksame Pupillenfläche für den Referenzstrahlengang 20, 20' dar. Wie in 13 dargestellt,
schaut die Wärmebildkamera 3a, 3b mit
dem größten Teil 34 ihrer
Eintrittspupille 28a, 28b an dem Pentaprisma 23a, 23b vorbei.
Der kleinere Teil 35 der Eintrittspupille 28a, 28b schaut
durch das Pentaprisma 23a, 23b in Richtung des
Kollimators 24. Aufgrund der großen Schnittweite bzw. Basislänge b und
der kleinen Kollimatorpupille füllt
der Kollimator 24 aber nur den sehr kleinen Teil 35 des
Sehfelds mit einem Durchmesser von 23 mm aus, während der weitaus größere Teil 34 der Eintrittspupille 28a, 28b am
Kollimator 24 vorbeischaut. Der Teil 35 muss mit
geeigneten Blenden abgeblockt werden, um zu verhindern, dass unerwünschte Bildinformationen
(z. B. von heißen
Gerätekomponenten
oder dergleichen) erfasst werden.
-
In 14 ist
ein Pentaprisma 23a, 23b mit den mechanischen
Abmessungen und dem Funktionsprinzip dargestellt. Die Höhe der Eintrittsfläche 26a, 26b ist
mit x bezeichnet. Durch zweifache 45 Grad-Ablenkung erzeugen die
Pentaprismen 23a, 23b einen ausfallenden Strahl,
der innerhalb der Fertigungstoleranzen unter einem Winkel von 90
Grad zum einfallenden Strahl verläuft. Diese 90 Grad-Ablenkung
ist unabhängig
vom Einfallswinkel in der durch diese Strahlen aufgespannten Ebene.
In der Praxis bedeutet dies, dass ein Pentaprisma 23a, 23b unabhängig von
seiner Winkelposition den einfallenden Strahl immer um 90 Grad ablenkt.
Eine fehlerhafte Position des Pentaprismas 23a, 23b erzeugt
also keine fehlerhafte Ablage von der gewünschten 90 Grad-Richtung.
-
Die
Genauigkeit der Strahlablenkung wird durch die herstellungsbedingten
Winkeltoleranzen des Pentaprismas 23a, 23b bestimmt.
Aus den Winkelfehlern α4, β4 und γ4 und der Brechzahl n des Prismensubstrats ergibt
sich, wie in 15 dargestellt, der gesamte
Winkelfehler des ausfallenden Strahls zu δ4 =
n·(3α4 + β4 + γ4).
-
Außer den
Winkelfehlern in der Tangentialebene kann ein Pentaprisma 23a, 23b auch
herstellbedingte Pyramidalfehler haben. Die Pyramidalfehler lassen
sich gedanklich auf die Verkippung der reflektierenden Fläche zurückführen. Bei
Pentaprismen 23a, 23b ergibt sich dadurch, bezogen
auf die Tangentialebene (Zeichenebene in 15), eine
entsprechende Winkelauslenkung. Als weiterer Fehler kommt hinzu,
dass die Flächen nicht
eben sein müssen,
sondern eine sehr flache Krümmung
aufweisen können,
die zu einer Brechkraft führt. Aus
schleiftechnischen Gründen
ist diese oft positiv; im allgemeinen Fall wird sie auch zylindrisch
sein. Das Pentaprisma 23a, 23b ist dann eine Vereinigung
von einer Linse mit Hohlspiegeln und bildet ein optisches System
mit einer entsprechenden Brechkraft. Wie aus 16 ersichtlich,
erzeugen Positionierungsfehler in der Tangentialebene keine Winkelfehler,
sondern haben nur einen Strahlversatz δy zur Folge. Solange das Pentaprisma 23a, 23b im
kollimierten Strahlengang betrieben wird, bedeutet dies lediglich
einen Pupillenversatz δy,
der in der Regel unbedenklich ist. Die Positionierungsfehler sind
in 16 gestrichelt angedeutet. Bei der linken Teilfigur
in 16 handelt es sich um einen Winkelfehler, bei
der mittleren Teilfigur um eine radiale Verschiebung und bei der
rechten Teilfigur um eine axiale Verschiebung.
-
In 17 ist
eine dritte Ausführungsform
einer Stereokameraeinrichtung 1'' mit
zwei justierten, zueinander in definiertem Abstand angeordneten
und ausgerichteten Wärmebildkameras 3a, 3b dargestellt,
welche mit einer Kalibriereinrichtung 19'' zu
deren fortlaufenden automatischen Kalibrierung versehen ist, wobei
als Kalibriereinrichtung 19'' die beiden
Wärmebildkameras 3a, 3b jeweils
im Bereich ihrer Eintrittspupillen 28a, 28b ein
als Pentaprisma 23a, 23b ausgebildetes optisches
Umlenkelement aufweisen, welches die von der ersten Wärmebildkamera 3a bzw.
von deren Detektor 25a abgegebene eigene Wärmestrahlung
als Referenzbild in den Beobachtungsstrahlengang 17b der
zweiten Wärmebildkamera 3b umlenkt.
-
Um
die Sichtlinien 17a, 17b der beiden Wärmebildkameras 3a, 3b ausgerichtet
zu halten, kann auch passiv (ohne zusätzliche Wärmequelle bzw. Strahlungsquelle 21)
ein direkter Bezug zwischen den beiden Achsen der Wärmebildkameras 3a, 3b hergestellt
werden. Dazu wird wechselseitig jeweils ein kleiner Teil der Pupille
einer Wärmebildkamera 3a, 3b mit
Prismen 23a, 23b oder Spiegeln in die Pupille
der jeweils anderen Wärmebildkamera 3a, 3b umgelenkt.
Da die Temperatur der Detektoroberflächen relativ zur Szene sehr
niedrig ist, sieht jede Wärmebildkamera 3a, 3b einen
kalten Bildausschnitt der Detektorfläche seines Gegenübers eingebettet
in die Szene. Benutzt man für
die Umlenkung Pentaprismen 23a, 23b, dann ist
wiederum sichergestellt, dass die durch zweifache Umlenkung erzeugten
Referenzstrahlen immer parallel zum Ausgangsstrahl sind, unabhängig von
der genauen Winkelposition des jeweiligen Pentaprismas 23a, 23b und
somit das Referenzsystem keine neuen Fehler erzeugt.
-
Wärmebilddetektorarrays
zeigen typischerweise eine starke Inhomogenität ihrer Einzeldetektoren bezüglich Dunkelstrom
und Verstärkung.
Um trotzdem eine akzeptable Bildqualität zu erreichen, muss deshalb mindestens
eine Kalibrierung der Detektorelemente durchgeführt werden. Diese ist bekannt
als Non-Uniformity Correction
(NUC). Für
eine gute Homogenisierung des Bildhintergrunds ist dies in der Regel
aber nicht ausreichend, da es im Infrarotbereich außer der
gewünschten
Szenenstrahlung noch andere Strahlungsquellen gibt, die unerwünscht zur
Bildinformation beitragen. Wie aus 18 für einen
Ausschnittsbereich der erfindungsgemäßen Stereokameraeinrichtung 1' ersichtlich,
gibt es die folgenden Einstrahlungsmechanismen. Die Innenflächen des
Messaufbaus strahlen über
die Restreflexion von Linsen, Prismen 23a und Ausblickfenstern 16 auf
die Detektorfläche.
Dieser Effekt tritt auch in jeder Wärmebildkamera 3a auf.
Die Befestigungsteile des Pentaprismas 23a bestrahlen den
Detektor 25a homogen, da sie in der Eintrittspupille 28a liegen.
Der unvermeidliche Sehfeldbeschnitt im Referenzstrahlengang 20 durch
einen Tubus 36, bedeutet, dass umgekehrt die Tubuswände in das
Sehfeld stark und zudem auch inhomogen einstrahlen. Das Referenzbild
im Kollimator 24 und die umgebenden Strukturen werden zwangsläufig auf
den Detektor 25a der Wärmebildkamera 3a scharf abgebildet.
Insgesamt ergibt sich ein hoher Strahlungsuntergrund. Wirksame Maßnahmen
zur Verringerung dieses Effekts sind z. B. mattschwarze Innenflächen des
Tubus 36 mit zusätzlichen
Blendenringen 36a sowie eine raue mattschwarze Ausführung der
Fläche
des Referenzbilds und des Inneren des Kollimators 24 sowie Einbringung
einer Sehfeldblende 37 in einer Zwischenbildebene des Objektivs
der Wärmebildkamera 3a. Trotzdem
ist eine umfassende Kalibrierung unter Einbeziehung möglichst
vieler unerwünschter
Strahlungsquellen zusätzlich
notwendig. Aufgrund der zu erwartenden starken und zudem inhomogenen
Einstrahlung aus dem Referenzstrahlengang 20' in die Wärmebildkamera 3a sollte
die Kalibriermethode möglichst
viele dieser Strahlungsanteile erfassen können. Die unerwünschten
Strahlungsanteile sind in 18 durch
gestrichelte Pfeile angedeutet. Da sich die Geräteinnentemperatur und die Szenentemperatur
(z. B. kalter Himmel) häufig extrem
unterscheiden, sollte die Kalibrierung möglichst bei einer Temperatur
nahe der Szenentemperatur durchgeführt werden. In Ausbreitungsrichtung
des Beobachtungslichts der Wärmebildkamera 3a ist
vor dem Pentaprisma 23a der Wärmebildkamera 3a zur
Kalibrierung des Detektors 25a der Wärmebildkamera 3a eine in
den Beobachtungsstrahlengang 17a der Wärmebildkamera 3a ein- und ausschwenkbare
Defokussierlinse 38 vorgesehen. Wird die Defokussierlinse 38 zwischen
dem Pentaprisma 23a und dem Ausblickfenster 16 platziert,
erfasst man praktisch alle unerwünschten
Einstrahlungsanteile.
-
Die
Szene bzw. Landschaft ist mit dem Bezugszeichen 39 versehen.
-
In 19 ist
der normale Betriebsfall mit ausgeschwenkter Defokussierlinse 38 dargestellt,
bei dem der Beobachtungsstrahlengang 17a und Referenzstrahlengang 20' auf den Detektor 25a fokussiert
werden. Der Detektor 25a sieht darüber hinaus unerwünschte Wärmestrahlung
aus dem Tubus 36 und dem Geräteinneren.
-
In 20 ist
die Defokussierlinse 38 für die Kalibrierung eingeschwenkt,
wodurch der Beobachtungsstrahlengang 17a gezielt defokussiert
wird und das Bild der Szene 39 auf dem Detektor 25a verschmiert
wird. Insgesamt erfährt
der Detektor 25a dadurch eine quasi homogene Ausleuchtung
mit Wärmestrahlung,
deren Intensität
der Szenentemperatur entspricht. Zusätzlich trifft wieder die unerwünschte Wärmestrahlung
aus dem Tubus 36 und dem Geräteinneren auf den Detektor 25a.
Wird in dieser Konfiguration nun eine Kalibrierung durchgeführt, dann
werden zusätzlich
zum szenentypischen Strahlungshintergrund alle unerwünschten
Effekte erfasst und können
so durch geeignete Bildkorrekturalgorithmen aus den nachfolgend
aufgenommenen Wärmebildern
beseitigt werden. Um zu verhindern, dass die Referenzstrichmarke
bzw. das Referenzbild bei der Kalibrierung sozusagen eingebrannt
wird, d. h. in die Kalibrierung mit einfließt, muss die Wärmequelle
bzw. Strahlungsquelle 21 hinter der Referenzstruktur abgeschaltet
oder besser noch auf die Geräteinnentemperatur geregelt
werden. Dies erfolgt durch den thermoelektrischen Kühler bzw.
das Peltierelement der Strahlungsquelle 21.
-
Auf
der Bildverarbeitungseinrichtung 7 kann nun im Rahmen der
Stereoauswertung ein Verfahren zur fortlaufenden automatischen Kalibrierung
der Stereokameraeinrichtung 1, 1', 1'' ausgeführt werden,
wobei das Referenzbild auf den zwei Wärmebildkameras 3a, 3b in
vorgegebenen, vorzugsweise regelmäßigen Zeitabständen lokalisiert
wird, wonach die relative Position und/oder die relative Orientierung
des Referenzbilds zu den Referenzbildern der weiteren Wärmebildkameras 3a, 3b bestimmt
wird und wonach daraus bei Erkennung einer Veränderung eine entsprechende
Korrektur der Parameter für
die Stereoauswertung ermittelt und vorgenommen wird.
-
Aufgrund
einer erkannten relativen Verschiebung des Referenzbilds wird eine
Verschiebung des Detektors 25a, 25b wenigstens
einer der Wärmebildkameras 3a, 3b oder
eine Verkippung bzw. Verbiegung wenigstens einer der Wärmebildkameras 3a, 3b parallel
und/oder senkrecht zur Bezugsebene oder zu der Basislinie bzw. Basisstruktur 14 der
Stereokameraeinrichtung 1, 1', 1'' erkannt.
Darüber
hinaus wird aufgrund einer relativen Rotation des Referenzbildes
eine Verdrehung wenigstens einer der Wärmebildkameras 3a, 3b oder des
Detektors 25a, 25b wenigstens einer der Wärmebildkameras 3a, 3b um
dessen optische Achse erkannt.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur fortlaufenden automatischen Kalibrierung der erfindungsgemäßen Stereokameraeinrichtung 1, 1', 1'' ist vorzugsweise als Computerprogramm
auf der Bildverarbeitungseinrichtung 7 der erfindungsgemäßen Stereokameraeinrichtung 1, 1', 1'' realisiert, wobei auch andere
Lösungen selbstverständlich in
Frage kommen. Dazu ist das Computerprogramm in einem nicht näher dargestellten Speicherelement
der Bildverarbeitungseinrichtung 7 gespeichert. Durch Abarbeitung
auf einem Mikroprozessor der Bildverarbeitungseinrichtung 7 wird
das Verfahren ausgeführt.
Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Datenträger (Diskette,
CD, DVD, Festplatte, USB-Memorystick oder dergleichen) oder einem
Internetserver als Computerprogrammprodukt gespeichert sein und
von dort aus in das Speicherelement der Bildverarbeitungseinrichtung 7 übertragen
werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1,
1', 1''
- Stereokameraeinrichtung
- 2
- Überwachungsvorrichtung
- 3a,
3b
- Wärmebildkameras
- 4a,
4b
- Sehfelder
- 5
- überlappender
Bereich
- 6,
6'
- Vögel, Vogelschwarm
- 7
- Bildverarbeitungseinrichtung
- 8
- Schnittstelle
- 9
- Flugsicherungssystem
- 10
- Flugroute
der Vögel
- 11
- Flugkorridor
- 12
- Kreuzungsbereich
- 13
- Flugzeug
- 14
- Basisstruktur
- 15
- Gehäuse
- 16
- Ausblickfenster
- 17a,
17b
- Sichtlinien,
Beobachtungsstrahlengang
- 18
- Ziele
- 19,
19', 19''
- Kalibriereinrichtung
- 20,
20', 20''
- Referenzstrahlengang
- 21
- Strahlungsquelle
- 22
- Strahlenbündel
- 22a,
22b
- Teilstrahlenbündel
- 23a,
23b
- Pentaprismen
- 24
- Kollimator
- 25a,
25b
- Detektoren
- 26a,
26b
- Eintrittsfläche Pentaprisma
- 27a,
27b
- Austrittfläche Pentaprisma
- 28a,
28b
- Eintrittspupille
Wärmebildkamera
- 29
- Winkel
- 30
- optisches
Teilerelement/90 Grad-Prisma
- 31
- gekreuzte
Pfeile
- 32
- Abschattung
- 33
- resultierendes
Wärmebildkamerasehfeld
- 34
- größerer Teil
der Eintrittspupille
- 35
- kleinerer
Teil der Eintrittspupille
- 36
- Tubus
- 36a
- Blendenringe
- 37
- Sehfeldblende
- 38
- Defokussierlinse
- 39
- Szene
- b
- Basislänge
- n
- Brechzahl
- α3
- Sehfeldrandwinkel
- α4
- Winkelfehler
- β4
- Winkelfehler
- γ4
- Winkelfehler
- β4
- gesamter
Winkelfehler
- δy
- Positionierungsfehler