DE69410219T2

DE69410219T2 - Hochauflosendes weitwinkel-abbildungsgerat fur luftfahrzeug

Info

Publication number: DE69410219T2
Application number: DE69410219T
Authority: DE
Inventors: Salaberry Bernard De
Original assignee: Isnav S A
Current assignee: Isnav S A
Priority date: 1993-06-28
Filing date: 1994-06-28
Publication date: 1998-11-19
Anticipated expiration: 2014-06-29
Also published as: DE69410219D1; FR2707129A1; ES2117792T3; EP0657019A1; AU7128094A; EP0657019B1; FR2707129B1; WO1995000820A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aufnahmevorrichtung für Luftfahrzeuge, die insbesondere für ferngesteuerte Leichtflugzeuge (ALT) oder Drohnen geeignet ist und es diesen erlaubt, Aufklärungsmissionen jeglicher Art kostengünstig zu erfüllen.
Derzeit kommen bei diesen Luftfahrzeugen zwei Aufnahmeweisen zum Einsatz. Es handelt sich dabei entweder um klassische Videokameras oder um Kameras mit Zeilenabtastung. Die Videokameras sind im allgemeinen Kameras mit Matrixsensor, die auf einer Anordnung von stabilisierten Kardangelenken plaziert werden und, z. B. per Fernsteuerung, in einer Beobachtungsrichtung ausgerichtet werden können. Sie besitzen den Nachteil, daß sie nur ein laterales Blickfeld übertragen, das durch die Pixelzahl des Sensors begrenzt wird. Wenn sie mit einem Objektiv variabler Brennweite ausgestattet sind, ist die von ihnen gelieferte Auflösung umgekehrt proportional zum abgetasteten Blickfeld.
Die Bilder werden aufgezeichnet und, Halbbild für Halbbild, so gut zum Boden übertragen, daß man beim Betrachten im Standbildmodus zweckmäßigerweise nur Halbbilder betrachten kann, wodurch die vertikale Auflösung auf die Hälfte der Zeilenzahl der horizontalen Abtastung beschränkt ist.
Die Zeilenkameras bestehen aus einer Leiste aus Photodioden, deren Anzahl bei mehr als 5000 liegen kann und die hinter einem äußerst hochwertigen Objektiv senkrecht zur Fortbewegungsrichtung des Luftfahrzeugs angeordnet sind. In den meisten Fällen ist die gesamte Anordnung auf mehrere Kardangelenke montiert, die präzise stabilisiert sind, um so die durch die Bewegungen des Luftfahrzeugs herbeigeführten Störungen zu eliminieren. Die Fortbewegung des Luftfahrzeugs erzeugt die Längsabtastung eines Bildes, dessen laterale Abtastung durch die periodische Abtastung des von jeder Zelle der Leiste gelieferten Signals erfolgt. Eine derartige Kamera besitzt den Vorteil, daß sie in einem einzigen Durchgang einen sehr großen Gebietsstreifen mit einer sehr hohen Auflösung, typischerweise 800 m mit einer Auflösung von 16 cm, aufklären kann. Diese laterale Auflösung ist offensichtlich abhängig von der Flughöhe und der Brennweite des Objektivs. In der Fortbewegungsrichtung des Luftfahrzeugs hängt die Auflösung im wesentlichen von der Geschwindigkeit des Flugzeugs und der Abtastfrequenz der Leiste ab. Es ist sehr schwierig, diese mit einer Leiste von 5000 Punkten und einem Flugzeug, das mit einer Geschwindigkeit von 120 km/h fliegt, auf weniger als 15 cm zu reduzieren.
Um eine homogene Auflösung in Längsrichtung und in lateraler Richtung zu erhalten, muß man entweder immer in gleicher Höhe fliegen oder das Objektiv wechseln, wenn sich das Programm oder die wetterbedingungen der Mission ändern. Der Einsatz eines Objektivs mit variabler Brennweite ist für diesen Auflösungsbereich ausgeschlossen, da eine solche auf diese Mission zugeschnittene Ausrüstung, sofern vorhanden, sehr kostspielig, platzraubend und schwer wäre.
Schließlich erlauben diese Zeilenkameras, im Gegensatz zu ihrem Vorteil der Abtastung eines sehr großen lateralen Blickfeldes, nicht die Darstellung von Bewegungen, wie z. B. Explosionen, die sich in dem Gebiet ereignen.
Die zwei Arten der Ausrüstung, d.h. Videokameras und Zeilenkameras, werden somit unterschiedlichen Bedürfnissen gerecht und ergänzen sich gut. Leider ist es kaum möglich, diese gleichzeitig an Bord ein und desselben Luftfahrzeugs vom Typ ALT oder Drohne zu installieren und damit die beiden Arten von Missionen im Laufe eines einzigen Fluges zu erfüllen. Im Falle der Zeilenkamera muß vor dem Start das Objektiv auf die Höhe der Mission eingestellt werden. Dieser Vorgang ist für einen Kriegsschauplatz kaum zu empfehlen.
Im übrigen ist darauf hinzuweisen, daß diese beiden Arten von Kameras unterschiedliche Arten der Videoübertragung verwenden, die entsprechende und gleichzeitig grundlegend verschiedene Sendevorrichtungen erfordern.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Lösung bereit, die unter gleichzeitiger Anwendung äußerst einfacher Mittel im Laufe einer einzigen Mission die Erfüllung der beiden Funktionen erlaubt, nämlich einerseits die Aufnahme mit sehr großem Blickfeld und hoher Auflösung und andererseits die auf einen festen Punkt gerichtete Aufnahme zur Beobachtung von Bewegungen. Sie stellt eine neue Möglichkeit zur Bestimmung der exakten Flughöhe des Flugzeugs vom Boden bereit, was eine unverzichtbare Information zur genauen Lokalisierung von Zielen ist, die von dem Luftfahrzeug lateral aufgenommen werden. Zusätzlich erlaubt diese Vorrichtung die sofortige Anpassung des beobachteten Blickfeldes in Abhängigkeit von den Flugbedingungen und der Situation am Boden. Schließlich ist bei dieser Vorrichtung keine Kardanwellen-Regelungstechnik mit hoher Präzision erforderlich.
Dieser Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß eine Matrixkamera, wie sie normalerweise für ein sich bewegendes Luftfahrzeug verwendet wird, wenn man keine schnellen Bewegungen der Szene sehen möchte, sehr redundante Informationen überträgt und daß es genügt, lediglich über eine verringerte Anzahl an Bildern zu verfügen, die nacheinander aus den 25 Bildern herausgenommen sind, die im allgemeinen pro Sekunde übertragen werden, um über dieselbe Informationsqualität zu verfügen, wie sie mit einer Zeilenabtastkamera erzielt wird. Es genügt somit, nur Einzelbilder zu übertragen, die nacheinander in lateralen Richtungen aufgenommen wurden, welche durch einen Winkel voneinander getrennt sind, der etwas kleiner ist als der Blickwinkel der Kamera, um ein Bild mit großem lateralem Blickwinkel und hoher Auflösung wiederzugeben.
Diese Erfindung basiert somit auf dem Einsatz einer Matrixkamera mit schnellem Verschluß, die auf einem Ständer befestigt ist, der um eine zur Bewegungsachse des Luftfahrzeugs parallele Achse orientierbar ist und nacheinander in verschiedene, zu dieser Achse senkrechte Richtungen gerichtet wird, die durch einen vorgegebenen Winkel voneinander getrennt sind, wobei ein Bild pro Winkelposition übertragen wird.
Das europäische Patent EP-A-145249 betrifft eine Vorrichtung für Aufnahmen, die entlang einer Rollachse orientierbar ist und eine Reihe von Bildern überträgt, die gemäß vorgegebenen Ausrichtungen aufgenommen wurden. In dieser Patentschrift sind anschließend Mittel zur geometrischen Korrektur der übertragenen Bilder beschrieben.
Gemäß vorliegender Erfindung ermöglicht die Verwendung eines Objektivs mit variabler Brennweite Änderungen des Blickfeldes.
Der Winkel zwischen den Aufnahmeachsen wird in diesem Fall von der Brennweite des Objektivs bestimmt. Dieses erlaubt es, das Blickfeld und die Auflösung jederzeit der Mission und der Flughöhe anzupassen oder auch in den normalen Kameramodus zurückzukehren und mit der gewünschten Auflösung einen präzisen Bereich des überflogenen Gebietes zu beobachten.
Durch die Verwendung eines um zwei Achsen orientierbaren Ständers kann man während des überfliegens, falls erforderlich, länger denselben Bereich beobachten oder die Aufnahmerichtung stark neigen, wobei man auch vertikale Objekte beobachten und bei Verwendung einer langen Brennweite sogar Beschriftungen lesen und gleichzeitig ein sehr großes Blickfeld beibehalten kann.
Die Verwendung von zwei unabhängig gesteuerten Kameras erlaubt sogar noch eine Erhöhung der Leistung des Systems.
Die Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung für Aufnahmen mit großem Blickfeld und hoher Auflösung für Luftfahrzeuge, umfassend:
- eine Kamera, die Bilder in Fernsehqualität aufnehmen kann,
- ein Mittel zur Orientierung der Aufnahmeachse der Kamera um wenigstens eine Achse,
- Steuer- und Kontrollmittel zur Orientierung der erwähnten Aufnahmeachse gemäß mehrerer aufeinanderfolgender Winkelpositionen in einer zur Bewegung des Luftfahrzeugs senkrechten Ebene,
- Mittel zur übertragung der Bilder an entfernte oder an Bord befindliche Mittel zur Verwertung durch Aufzeichnung, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kamera eine variable Brennweite besitzt und umfaßt:
- einen Sequencer zur Berechnung der Brennweite der Kamera, des Winkels zwischen zwei aufeinanderfolgenden Winkelpositionen und der übergangszeit zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Winkelpositionen, wobei der Seguencer eine Information über die Größe des zu erkundenden Gebietes, eine Information über die Höhe des Luftfahrzeugs und eine Information über die Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs verwertet, und
- Mittel zur Auswahl von Bildern unter Verwendung von Signalen, die von der Kamera und dem Sequencer gesendet werden.
Ebenso ist die Erfindung vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet, daß eine Orientierungsachse der Kamera vorgesehen ist, die mit einer horizontalen Ebene einen spitzen Winkel a bildet, der vorzugsweise kleiner als 300 ist, und daß eine vertikale Ebene, die diese Achse enthält, ebenfalls einen spitzen Winkel von vorzugsweise weniger als 300 mit der Fortbewegungsachse des Luftfahrzeugs bildet, wobei die Mittel zur Steuerung und Kontrolle der Orientierung der Kamera eine andere Abtastbewegung der Gesamtdauer T um die Achse signalisieren. Die Gesamtdauer T besitzt dabei folgende Formel:
0,5. (Ha.sinβ) / (Va.cosα) < T < (Ha.sinβ) 1 (Va.cosβ)
worin Ha für die Flughöhe des Luftfahrzeugs vom Boden, β für den Halbwinkel des Blickfeldes der Kamera in Richtung der Flugbahn des Luftfahrzeugs und Va für die Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs steht, wobei die Abtastbewegung eine Reihe von im wesentlichen gleichen Winkelintervallen γ umfaßt, die mit schneller Winkelgeschwindigkeit durchlaufen werden und voneinander durch Passagen mit verringerter Winkelgeschwindigkeit (vorzugsweise gleich Null) getrennt sind, in deren Verlauf die übertragungsmittel die Bilder erfassen, die an die Verwertungsmittel übertragen werden, wobei die Winkelintervalle γ kleiner sind als das Blickfeld der Kamera in senkrechter Richtung zur Flugbahn des Luftfahrzeugs.
Nachfolgend werden erfindungsgemäße Ausführungsformen anhand von nicht einschränkenden Beispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
Figur 1 ein Prinzipschaltbild, das die Funktionsweise einer Vorrichtung für Aufnahmen mit großem Blickfeld darstellt,
Figur 2 ein Diagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung für Aufnahmen mit großem Blickfeld,
Figur 3 ein Diagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung für Aufnahmen mit großem Blickfeld in einer mit zwei Orientierungsachsen ausgestatteten Variante,
Figur 4 eine Darstellung der Anordnung der Bilder, die mit der Vorrichtung für Aufnahmen mit großem Blickfeld gemäß Figur 3 erhalten wurden,
Figur 5 ein Diagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung für Aufnahmen mit großem Blickfeld in einer mit zwei Kameras ausgestatteten Variante, die jeweils zwei Orientierungsachsen aufweisen.
Figur 6 zeigt eine Darstellung der Anordnung der Bilder, die mit der Vorrichtung für Aufnahmen mit großem Blickfeld gemäß Figur 5 erhalten wurden.
Figur 7 zeigt die Varianten des Zeilensprungverfahrens der in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendeten Bilder.
Figur 8 ist ein Prinzipschaltbild der in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendeten Längs- und Höhensteuerungstechnik.
Figur 9 ist eine Variante des Prinzipschaltbildes der Figur 8 und
Figur 10 zeigt die Form der an die Orientierungssteuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu sendenden Signale.
Wie zuvor erwähnt und wie auch in Figur 1a gezeigt, besteht das Prinzip der Abtastung der Vorrichtung für Aufnahmen mit großem Blickfeld darin, die Aufnahmeachse 1 einer Kamera 2 in sequenzieller Weise um eine Drehachse 3 zu verschieben. Wenn man z. B. die Kamera, ausgehend von einer durch die Richtung 4 festgelegten Ausgangsposition, in sieben aufeinanderfolgende, festgelegte Positionen 4 bis 10 verschiebt und sie dann wieder rasch in die Ausgangsposition zurückführt, wobei der Winkel zwischen den einzelnen Positionen 4 bis 10, welche die optische Achse der Kamera rasch einnimmt, etwas kleiner ist, als das laterale Blickfeld der Kamera, erhält man ein Gesamtblickfeld, das beinahe siebenmal größer ist, als das der Kamera alleine.
Wenn man darauf geachtet hat, die Drehachse im wesentlichen in einer vertikalen Ebene anzuordnen, in der die Fortbewegungsrichtung des Luftfahrzeugs enthalten ist, erfolgt die Drehung der Kamera um eine Achse, die sich nahe der Rollachse des Flugzeugs befindet, wobei ein zur Fortbewegungsrichtung des Luftfahrzeugs senkrechtes Feld abgetastet wird.
Beispielsweise erhält man in einer Höhe von 800 m bei einem Gesamtfeld von 90º ohne weiteres das Bild eines Gebietsstreifens mit einer Größe von 1600 m und einer Auflösung von 34 cm. In diesem Fall, d.h. mit einer Kamera, die eine Standardmatrix von 8x6 mm² aufweist, und einem Objektiv mit einer Brennweite von 25 mm, entspricht die Höhe jedes Bildes etwa 190 m und, wenn das Luftfahrzeug mit 150 km/h, d.h. etwa 40 m/s, fliegt, muß die gesamte Sequenz in 4,5 s erzeugt werden. Unter Berücksichtigung der Rückkehrzeit der Kamera zwischen den beiden äußeren Positionen beträgt der Zeitraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Positionen und der Übertragung von zwei Bildern 0,5 s.
Am Boden erfaßt das Blickfeld der Kamera, wie es in Figur 1b als Beispiel dargestellt ist, nacheinander die Flächen 11 bis 17 einer Aufnahmeserie 18, die einer Aufnahmeserie 19 folgt und aus der dann, aufgrund der Fortbewegung des Luftfahrzeugs 21, die Aufnahmeserie 20 hervorgeht usw.. Jede Aufnahme ist gegenüber der vorhergehenden leicht verschoben, und die Gesamtverschiebung ist etwas kleiner als die Höhe einer Aufnahme, um somit eine Überlappung 23 zu gewährleisten, damit keine Informationen verlorengehen können. Dieses Ergebnis erzielt man durch Einstellung des Zeitraums zwischen den einzelnen Positionen 11 bis 17.
Die Kamera ist mit einem Objektiv variabler Brennweite 22 ausgestattet, so daß die Größe des Bildes mit einer leichten Überlappung 24 geregelt werden kann, um auch hier den Verlust von Informationen zu vermeiden.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine Anordnung zur Positionssteuerung der Vorrichtung für Aufnahmen mit großem Blickfeld.
Diese umfaßt:
- eine Empfangsantenne 35,
- einen Fernsteuerungsempfänger 25,
- einen Sequencer 26,
- eine Elektronik zur Orientierungssteuerung 27,
- ein Gehäuse für den Orientierungsmechanismus 36,
- einen Bildwähler 31,
- eine Bilddigitalisierer 32,
- einen Bildkomprimierer 33,
- einen Videosender 34,
- eine Sendeantenne 36.
Das Gehäuse des Orientierungsmechanismus 36 wiederum umfaßt, zur Steuerung einer Achse 37:
- eine Motoreinheit 28, mit der die Achse 37 angetrieben werden kann,
- einen Winkelpositionsmesser 29 zur Bestimmung der Position der Achse 37 in bezug auf das Gehäuse 36,
- einen fest mit dem Gehäuse 37 verbundenen Gyrometer 30.
Die Achse 37, die vorzugsweise in einer vertikalen Ebene angeordnet ist, welche die Fortbewegungsachse des Luftfahrzeugs 21 enthält und somit im wesentlichen gemäß der Rollachse des Luftfahrzeugs ausgerichtet ist, trägt außerhalb des Gehäuses 36 einen Unterbau 38, auf dem eine mit einem Objektiv 22 variabler Brennweite ausgestattete Kamera 2 befestigt ist.
Der Sequencer 26 kann über den Empfänger 25 entweder direkt Vorgabewerte für den Funktionsmodus, die aufeinanderfolgenden Positionierwinkel für die Kamera, zusammen mit einem Befehl zur Steuerung der Brennweite des Objektivs und einem Gleichlaufsignal, oder Informationen über die Höhe in bezug auf den Boden und die Größe des zu erkundenden Gebietes empfangen.
In einem dritten Funktionsmodus kann der Sequencer dieselbe Art von Vorgabewerten von einem an Bord des Flugzeugs befindlichen Programmiergerät erhalten.
Im ersten Fall überträgt der Sequencer 26 die Informationen an das Objektiv mit variabler Brennweite 22 und an die Orientierungssteuerung 27. Er erzeugt die Signale zur Auswahl der Bilder, die er von der Kamera 2 erhält, und sendet diese an den Bildwähler 31.
Im zweiten Fall verwendet der Sequencer 26 die vom Boden empfangenen Informationen und eine Information bezüglich der Geschwindigkeit des Flugzeugs 39, die an Bord berechnet wird, um den Winkel zwischen den einzelnen aufeinanderfolgenden Positionen der Kamera, die Brennweite des Objektivs, die Höhe des zum Boden projizierten Bildes, die Zeit, die das Flugzeug zum Zurücklegen der entsprechenden Entfernung benötigt, und die Zeit zwischen jeder Position und somit zwischen jedem zu übertragenden Bild zu bestimmen. Er sendet diese Informationen jeweils an die Orientierungssteuerung 27, an das Objektiv mit variabler Brennweite 22 und an den Bildwähler 31. Er erzeugt ein Gleichlaufsignal, das er direkt an den Videosender sendet und das am Boden zur Wiederherstellung der korrekten Reihenfolge der Bilder verwendet wird.
Im dritten Fall sind die Verarbeitungen dieselben, wie in einem der beiden ersteren Fälle.
Die Orientierungssteuerung 27 regelt die Winkelposition des Ständers der Kamera gemäß der Orientierung in Rollrichtung, die von dem Sequencer gesteuert wird, mittels der Motoreinheit 28, indem das von dem Winkelpositionsmesser 29 gesendete Signal mit der vorgegebenen Orientierung verglichen wird. Der Gyrometer 30 liefert ein repräsentatives Signal der Winkelgeschwindigkeit des Luftfahrzeugs in Rollrichtung. Dieses Signal wird nach Integration und Filterung von der Orientierungssteuerung 27 zur Korrektur der Winkelfehler verwendet, die beim Messen der vom Winkelmesser gelieferten Werte aufgrund der störenden Rollbewegungen des Luftfahrzeugs entstanden sind.
Das Prinzip der Orientierungssteuerung 27 ist in der Figur 8 im Detail dargestellt. Diese umfaßt:
- einen integrierenden Filter 66,
- einen Addierer/Subtrahierer 68,
- einen Korrekturverstärker 67.
Der integrierende Filter 66 umfaßt einen Teil, der vorzugsweise folgende Form aufweist:

p/(1+τ&sub1;p) 2

wobei die Schnittfrequenz 1/τ&sub1; durch die Eigenschaften des Gyrometers bestimmt wird. Typischerweise liegt diese Frequenz im Bereich von 0,2 bis 0,01 Hz. Der Filter liefert ein Signal für die Roliwinkelposition des Luftfahrzeugs, die bei sehr niedrigen Frequenzen gegen Null geht.
Der Addierer/Subtrahierer 68 addiert das Steuersignal 69 des der Kamera zu vorzugebenden Rollwinkels, das Ausgangssignal des integrierenden Filters 66 und das mit einem Minuszeichen versehene Signal 70, das von dem Winkelmesser 29 stammt.
Das Ausgangssignal des Addierers/Subtrahierers wird an den Korrekturverstärker 67 gesendet, der die Motoreinheit 28 steuert.
Gemäß einer Variante dieser Vorrichtung ist der Gyrometer 30 direkt auf dem Ständer der Kamera angeordnet, wie in Figur 9 dargestellt, und sein Signal wird zur Steuerung der Bewegungen der Kamera gemäß den Steuersignalen 69 verwendet. In diesem Fall wird ein zusätzlicher Filter 71, der einen Teil mit vorzugsweise folgender Form umfaßt:
1/(1+τ&sub2;p)
für das Signal 70 eingeführt, um nur die sehr niedrigen Frequenzen passieren zu lassen und die Medianposition der Kamera in einer im wesentlichen um eine vorgegebene Richtung zentrierten mittleren Position zu halten, die sich meist in der Ebene der Senkrechten des Luftfahrzeugs befindet.
Die Schnittfrequenz 1/τ&sub2; wird ebenso durch die Eigenschaften des Gyrometers bestimmt. Typischerweise liegt diese Frequenz im Bereich von 0,2 bis 0,01 Hz.
Das von der Kamera 2 gesendete Videosignal wird einerseits an den Sequencer 26, andererseits an den Bildwähler 31 gesendet. Der Sequencer verwendet dieses Videosigal als Synchronisationsquelle, um anschließend die aufeinanderfolgenden Ausrichtungen der Kamera und den Bildwähler zu steuern.
Der Bildwähler 31 wählt die zur Abdeckung des überflogenen Bereichs erforderlichen Bilder aus, um den Datenfluß zur Bodenstation zu minimieren. Die bevorzugte Lösung besteht darin, nur ein einziges Bild pro Winkelposition der Kamera zu übertragen. Die Bilder werden zum Bilddigitalisierer 32 übertragen.
Der Bilddigitalisierer führt eine Analog/Digital-Umwandlung des Videosignals gemäß einer klassischen Methode durch. Die Umwandlung erfolgt vorzugsweise mit 8 Bit, was beim Empfang eine gute Kontrastauflösung ergibt.
Die digitalisierten Bilder werden dann zum Bildkomprimierer 33 übertragen, der ebenfalls derzeit bekannte Techniken verwendet und anschließend ihre Daten an den Videosender 34 zur Sendung an die Bodenstation über die Antenne 36 sendet.
Am Boden werden die Bilder von klassischen Mitteln zur Bildverarbeitung empfangen und einem Bediener auf einem Bildschirm angezeigt, wobei die Positionsverschiebungen so erfolgen, daß die Aufnahme des Bodens bestmöglich wiedergegeben wird.
Die Figur 3 zeigt eine bevorzugte erfindungsgemäße Variante, die die Verarbeitung der Bilder am Boden erleichtert und zusätzlich eine Modifikation des Aufnahmewinkels nach unten, senkrecht zur Rollbewegung, erlaubt.
Zu diesem Zweck ist das Gehäuse 36 mittels einer Achse 41, die im wesentlichen senkrecht zur Achse 37 ist und eine Achse der Bewegung in der Höhe bildet, auf einem fest mit dem Luftfahrzeug verbundenen Ständer 40 drehbar montiert. Wie beim Rollen wird die Achse 41 von einer Motoreinheit 43 angetrieben, die auf dem Ständer 40 zur Anlage kommt, und ihre Winkelposition wird von einem Winkelpositionsmesser 42 gemessen, der ebenfalls fest mit dem Ständer 40 verbunden ist.
Ein Gyrometer 44 zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit entlang der Höhenachse ist vorzugsweise auf dem Gehäuse 36 angeordnet.
Dieser Gyrometer 44 kann auch unabhängig von der Vorrichtung und beispielsweise Teil der Steuervorrichtung des Luftfahrzeugs sein. Er kann auch fest mit dem drehbaren Teil verbunden sein, um gegebenenfalls eine feinere Stabilisierung der Winkelposition der Kamera zu bewirken.
Eine Elektronik 45 zur Steuerung der Orientierung in der Höhe, die der in Rollrichtung 27 verwendeten ähnlich ist, steuert die Motoreinheit 42. Zu diesem Zweck empfängt sie:
- von dem Sequencer 26 erzeugte Winkelvorgabewerte, die dem Winkel entsprechen, um den die Höhenausrichtung der Kamera gedreht werden muß, um die Verschiebung zwischen den Aufnahmebereichen auszugleichen, und der durch die Fortbewegung des Luftfahrzeugs zwischen zwei Positionen in Längsrichtung der Kamera bedingt ist, wobei die Verschiebung in Figur 1b dargestellt ist;
eine Information, die von dem Höhenwinkelmesser 42 stammt,
- eine Information, die von dem Höhengyrometer 36 stammt.
Der von dem Höhenwinkelmesser gemessene Winkel dient zur Bestimmung einer mittleren relativen Höhenposition zwischen der Kamera und dem Luftfahrzeug. Der von dem Gyrometer gelieferte Meßwert wird zum Filtern der Nickbewegungen des Luftfahrzeugs verwendet. Diese Informationen werden in der gleichen Weise verwendet, wie beim Rollen, und zwar nach demselben Schema, wie es in der Figur 8 beschrieben ist, mit derselben möglichen Variante, die für die Figur 9 beschrieben ist, indem der Höhengyrometer 36 auf dem in der Höhe beweglichen Teil angeordnet wird.
Der einzustellende Höhenverschiebungswinkel zwischen jeder Position der Kamera in Rollrichtung läßt sich folgendermaßen darstellen: da = Va.dt/h, worin Va für die Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs, dt für das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Positionen in Rollrichtung und h für die Höhe des Luftfahrzeugs vom Boden steht.
Der vorgegebene Gesamtwinkel der Höhenverschiebung wird bei jedem Schritt in Rollrichtung um den Wert da erhöht. Er wird zum gleichen Zeitpunkt, zu dem die Position in Rollrichtung zum Ausgangspunkt zurückkehrt, auf den Anfangswert zurückgeführt.
Die Figur 10b zeigt ein typisches Signal, das an die Höhensteuerung gesendet wird, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Die Höhe jeder Treppenstufe besitzt den Wert da.
Die Figur 10c zeigt eine vorteilhafte Lösung für diese Höhensteuerung unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs relativ konstant ist. Wenn man für den Höhenwinkel eine Winkelgeschwindigkeit da/dt = Va/h vorgibt, während der Rollwinkel alle aufeinanderfolgenden Positionen einer Sequenz einnimmt, tastet die Kamera einen Gebietsstreifen am Boden ab, der genau senkrecht zur Flugbahn des Luftfahrzeugs ist. Das Höhensteuerungssignal ist dabei sägezahnförmig, wobei der Steigwinkel 76 gleich Va/h ist und der Rückkehrwinkel so groß ist, daß während der Rückkehr der Kamera in Rollrichtung wieder die Ausgangsposition in der Höhe erreicht ist.
Die Figur 4 zeigt die theoretische Verknüpfung von Flächen am Boden 11 bis 17, die von der Kamera im Laufe der aufeinanderfolgenden Positionen 4 bis 10 aufgenommen wurden, und wie diese unter Verwendung der Vorrichtungen gemäß Figur 3 erzielt werden kann.
Es ist festzustellen, daß die Betrachtung der Abstände von Verknüpfungen nebeneinander angeordneter Bilder am Boden eine Information über die exakte Höhe des Luftfahrzeugs in bezug auf den Boden und gegebenenfalls zur Korrektur der Koordinaten der zu beiden Seiten der Flugbahn des Luftfahrzeugs beobachteten Punkte liefert.
Die Figur 5 zeigt eine andere bevorzugte Variante der Erfindung, die eine zweite Kamera 46 umfaßt, welche ebenfalls mittels eines Unterbaus 48 in einem zweiten Gehäuse 49 um eine Achse 47 in Rollrichtung beweglich montiert ist. Dieses Gehäuse 49 ist wiederum um eine Achse 54 in bezug auf den Unterbau 40 beweglich. Durch diese Vorrichtung kann der Kamera 46 eine derartige Höhenwinkelposition gegeben werden, daß sie nicht denselben Bodenbereich aufnimmt, der von der Kamera 2 abgetastet wird.
Die Achsen 47 und 54 sind ebenfalls mit einem Winkelmesser 50 bzw. 55 und mit einer Motoreinheit 51 bzw. 56 ausgestattet.
Zwei Elektroniksysteme zur Orientierungssteuerung in Rollrichtung 53 und in der Höhe 57, ähnlich denen zur Steuerung der Winkelpositionen der Kamera 2, steuern die Motoreinheiten 51 und 56. Diese Elektroniksysteme empfangen:
- einen Positionsvorgabewert in Rollrichtung bzw. in der Höhe, der von dem Sequencer 26, ausgehend von den vom Empfänger der Fernsteuerung 35 erhaltenen Informationen, erzeugt wird;
- eine Bestatigungsinformation vom Winkelpositionsmesser 50 bzw. 55;
- das von dem Gyrometer 30 bzw. 44 zum Herausfiltern der störenden Roll- bzw. Höhenbewegungen des Luftfahrzeugs gesendete Signal.
Die Kamera 46 ist mit einem Objektiv 52, vorzugsweise mit variabler Brennweite, ausgestattet und wegen der Höhensteuerung vorteilhafterweise zum Heck des Luftfahrzeugs hin in einem Winkel gerichtet, der entweder von dem Sequencer berechnet oder per Fernsteuerung vom Boden aus eingegeben werden kann.
Diese Vorrichtung erzeugt eine zeitliche Verschiebung zwischen dem Zeitpunkt der Aufnahme einer Szene durch die Kamera 1 und dem Zeitpunkt, zu dem diese in das Blickfeld der Kamera 2 gelangt.
Der Bediener am Boden kann diese Kamera in Abhängigkeit dessen, was er auf den von der Kamera 2 aufgenommenen Bildern sieht, welche in Abhängigkeit von der Höhe und der Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs über den Bildschirm laufen, ausrichten, um Bilder mit anderer Orientierung oder höherer Auflösung aufzuzeichnen oder auf einem anderen Bildschirm anzuzeigen.
Um ihm diese Aufgabe zu erleichtern, wird, wie in Figur 6 dargestellt, ein Rechteck 58 auf einem Bildschirm 59 angezeigt, über den die Reihen 19 und 18 der Bilder 11 bis 17 sowie die vorhergehenden Reihen 60, 61 und 62 laufen. Das Rechteck 58 hebt den Umriß des von der Kamera 46 aufgenommenen Bildes hervor. Es ist auf dem Bildschirm 59 in Abhängigkeit von den Roh- und Höhenwinkeln der Kamera 46 sowie der Höhe des Luftfahrzeugs angeordnet. Seine Abmessungen werden in Abhängigkeit vom Verhältnis der Brennweiten der beiden Objektive 22 und 52 mit variabler Brennweite und der beiden Kameras 2 und 46 eingestellt.
Die Figur 7 zeigt die zur Erzielung des bestmöglichen Ergebnisses hinsichtlich der Übertragung und Wiedergabe der Bilder am Boden durchgeführte Bildabtastung.
Gemäß der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform und im Unterschied zu dem, was normalerweise bei der Übertragung von Bildern allgemeine Praxis ist, verwenden die Kameras 2 und 46 kein Zwischenzeilenabtastverfahren.
Bei dem in Figur 7a dargestellten Zwischenzeilenabtastverfahren werden zwei Halbbilder 63 und 64, die jeweils die Hälfte der Gesamtzeilenzahl unter Erfassung jeweils einer von zwei Zeilen enthalten, abwechselnd mit einer Rate von einem Halbbild pro 20 ms übertragen. Daraus ergibt sich, daß die zwei Halbbilder aufgrund der Fortbewegung des Flugzeugs nicht übereinandergelegt und somit nicht ohne weiteres zu einem einzigen Bild zusammengefaßt werden können, damit man sie nach dem Aufzeichnen im Standbild anzeigen oder wiedergeben kann.
Bei dem im Rahmen der Erfindung, Figur 7b, empfohlenen Abtastverfahren erfolgt das Abtasten kontinuierlich, wobei alle 40 ms alle Zeilen 65 eines vollständigen Bildes übertragen werden.
Es ist zu beachten, daß bei Verwendung eines rampenförmigen Signals zur Steuerung der Orientierung der Kamera 2 in der Höhe der Einsatz von Bildern im nicht-verschachtelten Abtastverfahren nicht unbedingt erforderlich ist, wenn die Flughöhe des Flugzeugs bereits vorher bekannt ist.
Mit einer CCD-Matrixkamera ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, eine solche elektronische Verschlußzeit vorzugeben, daß das Luftfahrzeug sich während dieser Zeit nicht über eine Entfernung fortbewegt, die größer ist als der Wert der Bildauflösung Im Falle einer Auflösung von 32 cm und einer Geschwindigkeit von 120 km/h muß die Verschlußzeit unter 10 ms liegen. Bei einer Auflösung von 3 cm muß die Verschlußzeit unter 1 ms liegen.
In allen Fällen erlauben kurze Verschlußzeiten eine Begrenzung der Stabilitätsanforderungen bezüglich der Leistungen der Steuersysteme in der Höhe und in Rollrichtung.
Schließlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhafterweise unter Verwendung von einer oder zwei in einem der Infrarotspektren empfindlichen Kameras oder auch mit Lichtverstärkung ausgeführt werden.

Claims

1. Vorrichtung für Aufnahmen mit großem Blickfeld und hoher Auflösung für Luftfahrzeuge, umfassend:

- eine Kamera (2), die Bilder in Fernsehqualität aufnehmen kann,

- ein Mittel zur Orientierung der Aufnahmeachse (1) der Kamera um wenigstens eine Achse (3),

- Steuer- und Kontrolimittel zur Orientierung der erwähnten Aufnahmeachse gemäß mehrerer aufeinanderfolgender Winkelpositionen (4), (5), (6) in einer zur Bewegung (21) des Luftfahrzeugs senkrechten Ebene,

- Mittel zur Ubertragung der Bilder an entfernte oder an Bord befindliche Mittel zur Verwertung durch Aufzeichnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (2) eine variable Brennweite besitzt und umfaßt:

- einen Sequencer (26) zur Berechnung der Brennweite der Kamera, des Winkels zwischen zwei aufeinanderfolgenden Winkelpositionen und der Übergangszeit zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Winkelpositionen, wobei der Sequencer eine Information über die Größe des zu erkundenden Gebietes, eine Information über die Höhe des Luftfahrzeugs und eine Information über die Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs verwertet, und

- Mittel zur Auswahl von Bildern unter Verwendung von Signalen, die von der Kamera und dem Sequencer gesendet werden.

2. Vorrichtung für Aufnahmen mit großem Blickfeld und hoher Auflösung für Luftfahrzeuge nach Anspruch 1, die eine verstellbare Kameraeinheit umfaßt, welche aus einer Kamera (2) besteht, die mit einem Objektiv variabler Brennweite (22) ausgestattet und auf einem Ständer (38) montiert ist, der in einem Gehäuse (36) um eine Achse (37) schwenkbar ist und durch eine Elektronik (27) zur Orientierungssteuerung um diese Achse (37) gesteuert wird,

dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte Sequencer (26) die dem Objektiv zu befehlende Brennweite in Abhängigkeit von der Größe des zu erkundenden Gebietes, der Anzahl der innerhalb der besagten Größe aufzunehmenden Bilder und der Flughöhe des Luftfahrzeugs berechnet, daß eine Elektronik zur Orientierungssteuerung (27) von dem erwähnten Sequencer (26) gesteuert wird, der ein periodisches Signal zur Winkelsteuerung (72) berechnet und erzeugt, und zwar ausgehend von Informationen bezüglich Flughöhe und -geschwindigkeit des Luftfahrzeugs, der Größe des zu erkundenden Terrains und der Anzahl der in der erwähnten Größe aufzunehmenden Bilder, wobei das periodische Signal zur Winkelsteuerung bezüglich der Rollbewegungen des Luftfahrzeugs durch von einem Gyrometer (30) gesendete Winkelgeschwindigkeitssignale korrigiert wird.

3. Vorrichtung für Aufnahmen mit großem Blickfeld und hoher Auflösung für Luftfahrzeuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, die beweglich auf einer Höhenachse im Inneren des Gehäuses (40) montiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch ein sägezahnförmiges Signal zur Höhensteuerung mit rascher Wiederholung gesteuert wird, das ebenfalls von dem Sequencer (26), ausgehend von Informationen bezüglich Flughöhe und -geschwindigkeit des Luftfahrzeugs, erzeugt wird, wobei die Rollbewegungen des Luftfahrzeugs durch eine Winkelgeschwindigkeit kompensiert werden, die von einem vorzugsweise auf dem Gehäuse (36) montierten Gyrometer (44) gesendet wird.

4. Vorrichtung für Aufnahmen mit großem Blickfeld und hoher Auflösung für Luftfahrzeuge nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Bildwähler (31) umfaßt, der durch den Sequencer (26) gesteuert wird, welcher die Bildauswahl unter Verwendung eines von der Kamera (2) gesendeten Videosignals synchronisiert.

5. Vorrichtung für Aufnahmen mit großem Blickfeld und hoher Auflösung für Luftfahrzeuge nach einem der Ansprüche 1, 2 oder

dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zweite verstellbare Kameraeinheit umfaßt, deren Aufnahmeachse, bezogen auf die Aufnahmeachse der Kamera (2), vorzugsweise zum Heck des Luftfahrzeugs hin gerichtet ist.

6. Vorrichtung für Aufnahmen mit großem Blickfeld und hoher Auflösung für Luftfahrzeuge nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite verstellbare Kameraeinheit vorzugsweise in demselben Gehäuse (40) angeordnet ist und eine Kamera (46) umfaßt, die mit einem Objektiv (52) variabler Brennweite ausgestattet und auf einem Ständer (48) in einem Gehäuse (49) montiert ist, der sich um eine Achse (54) schwenken läßt, die sich vorzugsweise in einer vertikalen, die Fortbewegungsrichtung (21) des Luftfahrzeugs enthaltenden Ebene befindet, durch eine Motoreinheit (51) bewegt wird und ihre Winkelposition bezüglich des Gehäuses (49) über einen Winkelmesser (50) liefert, wobei die Orientierung der Achse über eine Elektronik (53) zur Orientierungssteuerung gesteuert wird, und zwar ausgehend von Winkelsteuerungssignalen, die von dem Sequencer (26) gesendet werden, und von Winkelgeschwindigkeitssignalen, die von dem Gyrometer (30) gesendet werden, wobei das Gehäuse 49 selbst um eine Achse (54) beweglich montiert ist, die eine höhenbezogene Rotationsachse im Inneren des Gehäuses (40) bildet und von einer variablen Höhensteuerung gesteuert wird, wobei die Steuerung durch eine Höhenorientierungssteuerung (54) kontrolliert wird, die eine Motoreinheit (56) betätigt und ihrerseits eine von einem Winkelmeßfühler (55) gesendete Winkelinformation sowie eine von dem vorzugsweise auf dem Gehäuse (40) montierten Gyrometer (44) gesendete Winkelgeschwindigkeit verwendet.

7. Vorrichtung für Aufnahmen mit großem Blickfeld und hoher Auflösung für Luftfahrzeuge nach einem der vorherigen Ansprüche 5 oder 6,

dadurch gekennzeichnet, daß das von der zweiten Kamera (46) aufgenommene Bild auf einem Empfangsbildschirm (59), auf dem die von der ersten Kamera (2) der Vorrichtung aufgenommenen Bilder dargestellt sind, durch ein Rechteck (58) markiert ist, das die Kontur des erwähnten Bildes zeigt, wobei die Position des Rechtecks, bezogen auf die Bilder der ersten Kamera (2), in Abhängigkeit von der Höhe des Luftfahrzeugs und den Roll- und Höhenwinkeln der zweiten Kamera (46) bestimmt wird, wobei die Abmessungen des Rechtecks in Abhängigkeit von den jeweiligen Brennweiten der beiden Objektive (22 und 52) der beiden Kameras (2 und 46) eingestellt werden.

8. Vorrichtung für Aufnahmen mit großem Blickfeld und hoher Auflösung für Luftfahrzeuge nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Information über die Höhe des Luftfahrzeugs vom Boden anhand des Abstands der nebeneinander angeordneten Bilder erhält.

9. Vorrichtung für Aufnahmen mit großem Blickfeld und hoher Auflösung für Luftfahrzeuge nach einem der Ansprüche 2, 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Orientierungssteuerungen ein Winkelgeschwindigkeitssignal verwendet, das von einem fest mit der Struktur des Luftfahrzeugs verbundenen Gyrometer erzeugt wird, wobei das Signal durch einen Filter (66) gefiltert wird, der wenigstens teilweise die Form p/(1+t1p)2 besitzt, wobei die Schnittfrequenz 1/t1 des Filters vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 0,01 Hz liegt.

10. Vorrichtung für Aufnahmen mit großem Blickfeld und hoher Auflösung für Luftfahrzeuge nach einem der Ansprüche 2, 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Orientierungssteuerungen ein Winkelgeschwindigkeitssignal, das von einem Gyrometer erzeugt wird, der fest mit dem von der Steuerung bewegten beweglichen Teil verbunden ist, und ein Winkelpositionssignal verwendet, das von einem Winkelgeber erzeugt wird, der die Position des beweglichen Teils bestimmt, wobei das Winkelpositionssignal durch einen Filter (71) gefiltert wird, der wenigstens teilweise die Form 1/(1+t2p) besitzt, wobei die Schnittfrequenz 1/t2 des Filters vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 0,01 Hz liegt.