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Dokumentenidentifikation DE4131876C2 06.07.2000
Titel Zielerkennungseinrichtung
Anmelder Rheinmetall W & M GmbH, 29345 Unterlüß, DE
Erfinder Paech, Joachim, Dr., 40699 Erkrath, DE
DE-Anmeldedatum 25.09.1991
DE-Aktenzeichen 4131876
Offenlegungstag 01.04.1993
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 06.07.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.07.2000
IPC-Hauptklasse G06K 9/62
IPC-Nebenklasse G06F 19/00   F41G 7/20   G05D 1/12   G06K 9/28   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Zielerkennungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-PS 36 31 944 ist eine Einrichtung zur Auswertung eines Bildes, das von einer Fernsehkamera eines ein Ziel anfliegenden Flugkörpers aufgenommen wird, wobei für die Videosignale eine Filterschaltung in Form eines durchstimmbaren Bandpaßfilters vorgesehen ist, dessen Filtercharakteristik nach Maßgabe der Bildgröße des zu erkennenden Ziels entsprechend der Bildperspektive kontinuierlich veränderbar ist. Der Ausgang des Bandpaßfilters wird einem Komparator, der lediglich Videosignale mit einer einen Referenzwert übersteigenden Signalamplitude weiterleitet, zugeführt, dessen Ausgang wiederum mit einer Markierungseinrichtung zum Markieren derjenigen Bildbereiche in einer Aufzeichnungseinheit verbunden ist, die durch die im Komparator ausgewählten Videosignalkomponenten bestimmt sind.

Aus der DE-PS 34 18 394 ist es bekannt, Videokameras mit gepulsten Halbleiterbildsensoren in Fluggeräten zu verwenden, während über Bewegungssensoren ständig Istdaten über die Bewegungen des Fluggeräts gewonnen werden. In einer Vergleichseinrichtung erfolgt ein Vergleich der Istdaten mit Solldaten sowie eine Bildkorrektur in Abhängigkeit von der Ist-Soll-Datenabweichung durch einen Koordinatenkorrekturrechner.

Bei intelligenten Munitionen werden häufig IR-Zeilen- oder IR-Array-Detektoren zur Zielerkennung verwendet. Neben der Intensität der empfangenen Strahlung ist die Form (Größe) ein wichtiges Identifikationsmerkmal eines Ziels, beispielsweise eines Panzers. Die Auswertung der Signalausgänge von Detektorarrays zur Zielerkennung erfolgt üblicherweise über einen Rechner, wobei ein beträchtlicher Teil der Rechenzeit darauf verwendet wird, einen Zusammenhang einzelner Detektorelemente bzw. deren Ausgänge in aufeinanderfolgenden Zeittakten zu ermitteln. In der Echtzeitbildverarbeitung müssen sehr schnelle Algorithmen verwendet werden, wodurch sehr hohe Anforderungen an die Signalprozessoren gestellt werden, um die von dem Detektor aufgenommenen Daten auf ihren wesentlichen Inhalt zu reduzieren. Eine derartige Signalverarbeitungsvorrichtung zur Analyse zwei- oder dreidimensionaler Bilder offenbart beispielsweise die US 4,322,716.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zielerkennungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die eine sehr schnelle Signalverarbeitung ohne hohe Anforderungen an Signalprozessoren ermöglicht.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Zielerkennungseinrichtung einer ersten Ausführungsform.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Zielerkennungseinrichtung einer zweiten Ausführungsform.

Fig. 3 zeigt eine Verknüpfungsschaltung für die Zielerkennungseinrichtung von Fig. 2.

Fig. 4 zeigt eine zur Auswertung detektierte Bildvorlage eines Zielbereichs.

Fig. 5 verdeutlicht die Auswertung der Bildvorlage von Fig. 4 nach Statuswörtern.

Fig. 6a bis 6c zeigen horizontale und vertikale Zusammenhänge bezüglich eines Ziels sowie Horizontal-Vertikal-Korrelationen für die Bildvorlage von Fig. 4.

Fig. 1 zeigt einen IR-Zeilendetektor 1 mit fünf Detektorelementen (oder Pixeln) 2 (n = 5, m = 1), die jeweils über eine Leitung oder ein CCD-Interface mit einem Schwellenkomparator 3 verbunden sind. Die Ausgänge des Schwellenkomparators 3 führen zu einer ersten Stufe von vier (allgemein n-1) UND- Gattern 4, und zwar bilden jeweils zwei benachbarte Ausgänge (entsprechend benachbarten Detektorelementen 2) die beiden Eingänge des jeweiligen UND-Gatters 4. Hierbei wird daher der Ausgang jedes zwischen den beiden äußeren Detektorlementen 2 liegenden Detektorelements 2' jeweils zweimal verwendet, d. h. durch zwei benachbarte UND-Gatter 4' und 4'' in bezug auf die Ausgänge von benachbarten Detektorelementen 2 ausgewertet. Entsprechend folgen weitere Stufen. So bilden die vier Ausgänge der UNO-Gatter 4 der ersten Stufe die Eingänge von drei (allgemein n-2) UND-Gattern 4 einer zweiten Stufe, wobei wiederum jeweils zwei benachbarte Ausgänge die beiden Eingänge eines UND-Gatters 4 der zweiten Stufe bilden, etc., bis in der (n-1)ten Stufe die beiden Ausgänge der beiden UND-Gatter 4 der vorhergehenden Stufe die beiden Eingänge des einen UND-Gatters 4 der (n-1)ten Stufe bilden.

Die Ausgänge des Schwellenkomparators 3 und der UND-Gatter 4 sind außerdem mit einem Statusregister 5 gekoppelt, das zu diesem Zweck in diesem Fall eine Länge von 15 bit hat (allgemein Summe über k für k = 1 bis k = n). Die jeweiligen Ausgänge werden in ihrer Reihenfolge gespeichert und bilden jeweils pro Stufe ein Statuswort, wobei auch die Ausgänge des Schwellenkomparators 3 ein Statuswort bilden. Die Statuswörter können dann beispielsweise mittels einer zentralen Recheneinheit 6 in bezug auf weitere Zusammenhänge weiterverarbeitet werden.

Ein nicht dargestellter Taktgeber taktet den Detektor 1 beispielsweise mit einer Taktrate von 250 µs und den Schwellenkomparator 3 und die einzelnen Stufen von UND-Gattern 4 aufeinanderfolgend mit einer Taktrate von beispielsweise 10 µs, da die Schaltzeiten von Gattern verglichen mit der Taktrate eines IR-Detektors sehr klein, beispielsweise 1 µs, sein kann. Die Eingangssignale der UND-Gatter 4 werden während der Anstiegs- oder Abfallsflanke des vom Taktgeber erzeugten Synchronisationsimpulses verglichen. Die Taktimpulse von aufeinanderfolgenden Stufen müssen zeitlich so versetzt sein, daß der Vergleich der vorangehenden Stufe abgeschlossen ist, bevor deren Ausgänge weiterverarbeitet werden.

Während der Taktrate für den Detektor 1 akkumulieren die Detektorelemente 2 die einfallende Strahlungsintensität. Während des nächsten Zeittaktes wird die Information der Detektorelemente 2 ausgelesen und die Intensität jedes Detektorelements 2 durch eine Schwelle des Schwellenkomparators 3 zweiwertig digitalisiert (logische "0" oder "1").

In der sich daran anschließenden mehrstufigen Verknüpfungsschaltung aus UND-Gattern 4 werden zusammenhängende Cluster von Detektorelementausgängen oberhalb einer Schwelle pro Zeittakt ermittelt, die Ausgänge der ersten Stufe geben Zweier-Zusammenhangsgruppen und deren Lage, die Ausgänge der zweiten Stufe die Dreier-Zusammenhangsgruppen und deren Lage etc., die jeweils durch ein Statuswort im Statusregister 5 wiedergegeben werden. Durch die Rechnereinheit 6 können die Statuswörter dann in bezug auf weitere Zusammenhänge zur Zielerkennung weiterverarbeitet werden.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist ein IR-Array-Detektor 1 mit fünfundzwanzig Detektorelementen 2 (n = 5, m = 5) vorgesehen, wobei die Ausgänge dieser Detektorelemente 2 zunächst für Spalten und Zeilen getrennt erfolgt. Die Ausgänge der Detektorelemente 2 der Zeilen werden ebenso wie die Ausgänge der Detektorelemente 2 der Spalten auf ein zugehöriges Bandpaßfilter 7 gegeben. Die beiden Bandpaßfilter 7 beschränken die Informationen der Detektorelemente 2 zunächst auf einen zielrelevanten Detektorbereich.

Den Bandpaßfiltern 7 sind Schwellenkomparatoren 3 mit beispielsweise bezüglich der Umgebungsbedingungen adaptiven Schwellen nachgeschaltet, die den potentiellen Zielbereich vom Hintergrund trennen, beispielsweise in der Intensität und/oder im Farbspektrum.

Den Schwellenkomparatoren 3 ist jeweils eine Verknüpfungsschaltung zur Bildung von Statuswörtern nachgeschaltet, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Diese umfassen n + m logische Verknüpfungen aus UND- Gattern 4 und jeweils einem Statusregister 5, wie sie bei der Ausführungsform von Fig. 1 vorgesehen sind. (Die nicht dargestellte Taktung erfolgt entsprechend der Ausführungsform von Fig. 1.) Hierzu werden insgesamt 150 bit an Speicherplätzen, jeweils 75 bit pro Speicher 8, benötigt. Die Statuswörter beschreiben wiederum zusammengehörige Ausgänge von Detektorelementen 2 für einzelne Zeilen bzw. einzelne Spalten, d. h. solche, die zusammenhängend oberhalb einer Schwelle liegen.

Die weitere Auswertung der Statuswörter erfolgt mittels Zähler 9, die die Anzahl der zusammenhängenden Detektorausgänge getrennt für vertikale und horizontale Detektorelemente 2 sowie weiterhin für verbundene horizontale und vertikale Bereiche (Korrelationen) ermitteln. Die Ergebnisse werden dann mit zuvor eingegebenen oder ermittelten Referenzwerten, die in einem Speicher 10 für Zielmerkmale gespeichert sind, mittels einer Komparatorschaltung 11 verglichen und bei genügend hoher Übereinstimmung der entsprechende Bereich als die Abbildung eines Ziels betrachtet, wodurch weitere Schritte wie beispielsweise die Bekämpfung des Ziels eingeleitet werden.

Auch hier kann die Auswertung der Statuswörter aber auch über einen Rechner 6 etwa mit einer Korrelationsmatrix, über die der Abstand zwischen Detektor 1 und potentiellem Zielbereich berücksichtigt wird, erfolgen.

Fig. 4 zeigt beispielhaft eine auszuwertende Bildvorlage eines Array-Detektors 1 mit 7 × 7 Detektorlementen 2 (n = 7, m = 7) vor der Filterung durch die Bandpaßfilter 7. Die Ausgänge, die oberhalb einer Schwelle liegen, sind schwarz oder kreuzschraffiert dargestellt. Die schwarzen Felder 12 zeigen ein potentielles Ziel 13, die kreuzschraffierten Felder 14 Störungen.

Fig. 5 zeigt die Bildvorlage nach der Ermittlung der Statuswörter, wobei letztere die horizontalen und vertikalen Zusammenhänge der Ausgänge der einzelnen Detektorelemente 2 oberhalb der Schwelle angeben, die durch horizontale und vertikale Pfeile 15 dargestellt sind. Die Störungen sind hierbei entweder durch die Bandpaßfilter 7 beseitigt oder es werden als kleinere Objekte 15 entdeckt. Das eigentliche Zielgebiet zeichnet sich nun durch mehrere, charakteristisch zusammenhängende Bildelemente aus. Die Anzahl der zusammenhängenden Bildelemente wird z. B. durch die Zähler 9 ermittelt und ist in Form von Histogrammen in Fig. 6a bis 6c für horizontale, vertikale Zusammenhänge und Horizontal-Vertikal- Korrelationen für die Bildvorlage von Fig. 4 dargestellt.

Der wesentliche Teil der Zielerkennung erfolgt hier über Logikbausteine und Speicherplätze (UND-Gatter 4 und Statusregister 5). Beide sind als kostengünstige integrierte Schaltkreise, etwa als Gatearrays, einsetzbar. Die Zuweisung zu einer Zielklasse erfolgt praktisch ausschließlich über Logikschaltungen und gegebenenfalls einfache Zählschaltungen. Die Logikverknüpfungen erlauben eine hohe Taktrate und damit eine hohe Bildfolgefrequenz. Gegebenenfalls kann durch Vorgabe neuer Speicherinhalte für die Zielmerkmale eine einfache Anpassung an neue Ziele vorgenommen werden. Die logische Verknüpfungsschaltung dient als Objekt- bzw. Merkmalsfilter, wodurch die Bildinformation auf den relevanten Anteil verdichtet werden kann. Insbesondere für kleinere Array-Detektoren 1 mit bis zu etwa 10 × 10 Detektorelementen 2 ist die Erfindung geeignet.


Anspruch[de]
  1. 1. Zielerkennungseinrichtung mit einer Detektormatrix (1) mit n × m Detektorelementen (2) und einem Taktgeber, wobei während eines Zeittaktes akkumulierte Ausgänge der Detektorelemente (2) zielrelevant jeweils mittels eines Schwellenkomparators (3) mit insbesondere adaptiver Schwelle während eines zweiten Zeittaktes für Detektorzeilen und -spalten der Detektormatrix (1) getrennt digitalisierbar sind, sowie mit einer Auswerteeinrichtung (6; 9, 10, 11), die die Ausgänge mit Referenzwerten korreliert, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verknüpfungsschaltung aus jeweils zwei Ausgänge von jeweils zwei benachbarten Detektorelementen (2) bzw. jeweils zwei vorangehenden benachbarten UND-Gattern (4) zugeordneten UND-Gattern (4) in n-1 bzw. m-1 Stufen für die digitalisierten Detektorzeilen bzw. -spalten vorgesehen ist, wobei die Stufen zeitlich nacheinander von dem Taktgeber in Gang setzbar sind und für jede Detektorzeile und -spalte ein Statusregister (5) für in der Auswerteeinrichtung (6; 9, 10, 11) auswertbare Statuswörter, die zusammenhängende, oberhalb der Schwelle liegende Ausgänge von Detektorelemente (2) für die jeweilige Detektorzeile bzw. -spalte wiedergeben, vorgesehen ist, das mit den Ausgängen des Schwellenkomparators (3) und der zugehörigen UND-Gatter (4) verbunden ist.
  2. 2. Zielerkennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung Zähler (9) für die Statuswörter aufweist, die die zusammenhängenden Ausgänge von Detektorelementen (2) ermitteln und deren Ergebnis mit entsprechenden Referenzwerten verglichen wird.
  3. 3. Zielerkennungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß getrennte Zähler (9) für zusammenhängende Ausgänge von Detektorelementen (2) in den Detektorzeilen und -spalten sowie für verbundene Detektorzeilen- und -spaltenbereiche vorgesehen sind.
  4. 4. Zielerkennungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schwellenkomparator (3) ein Bandpaßfilter (7) vorgeschaltet ist.
  5. 5. Zielerkennungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Detektorzeilen und -spalten getrennt auswertbar sind.






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