ES2319408T3 - Procedimiento y aparato de barrido de la linea de vision de una camara en un sistema de camara con zoom continuo. - Google Patents

Procedimiento y aparato de barrido de la linea de vision de una camara en un sistema de camara con zoom continuo. Download PDF

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ES2319408T3 ES03761857T ES03761857T ES2319408T3 ES 2319408 T3 ES2319408 T3 ES 2319408T3 ES 03761857 T ES03761857 T ES 03761857T ES 03761857 T ES03761857 T ES 03761857T ES 2319408 T3 ES2319408 T3 ES 2319408T3
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Abstract

Un procedimiento de barrido de la línea de visión (LOS) dependiente del campo visual (FOV) en una cámara con zoom continuo asistida por torreta de abertura relativa constante (f/D) donde puede modificarse continuamente el FOV, caracterizado porque el ancho de barrido depende del FOV a través de la siguiente relación:** ver fórmula** donde W s es el ancho de barrido y m es la constante del ancho de observación; La frecuencia media de barrido de la LOS durante la mitad del periodo se determina en función del FOV a través de la siguiente relación:**ver fórmula** donde OMEGAs y te son respectivamente la frecuencia de barrido y el tiempo de integración del ojo y C0 y C1 con constantes proporcionales; por lo que, basándose en las dos ecuaciones anteriores, el mecanismo de barrido de la LOS dependiente del FOV se expresa de la siguiente manera:** ver fórmula** donde zetaSCAZ Y zetaSCEL son respectivamente el ángulo azimutal y el ángulo de elevación del vector de la LOS, AZLOS y ELLOS son la posición de referencia inicial de la LOS en el ángulo azimutal y en el ángulo de elevación y n(te) se expresa como C''''/te con la constante C''''.

Description

Procedimiento y aparato de barrido de la línea de visión de una cámara en un sistema de cámara con zoom continuo.
Campo técnico
Esta invención se refiere a un procedimiento y a un aparato para un barrido automático de la línea de visión (LOS, line of sight) dependiente del campo visual (FOV, field of view) en un sistema de cámara con zoom continuo asistido por torreta.
Técnica anterior
Hasta la aparición de los dispositivos ópticos con zoom continuo, los dispositivos ópticos con zoom por pasos (como mucho de 2 a 3 pasos) se han adoptado de manera generalizada en un sistema de cámara asistido por torreta para misiones de reconocimiento y de vigilancia. En ese caso, un operador determinaba de manera empírica y manual la condición de barrido de la LOS (el ancho y la frecuencia de barrido) en cada FOV. Por tanto, no se requieren en gran medida ni la relación funcional de la condición de barrido y el FOV, ni su calibración paramétrica pertinente (en lo sucesivo, esto se denominará el procedimiento de barrido manual de la LOS, mientras que la presente invención utiliza un procedimiento automático en lugar del procedimiento manual). En lo que respecta a los dispositivos ópticos con zoom por pasos, el aparato de barrido manual de la LOS puede usarse sin grandes inconvenientes. Sin embargo, puesto que recientemente se han desarrollado dispositivos ópticos con zoom continuo (> x20, por ejemplo), se requiere más su aplicación en un sistema de cámara de reconocimiento. La aplicación del procedimiento de barrido manual en la cámara con zoom continuo supondría un manejo muy incómodo para el operador ya que éste debería seleccionar la condición de barrido adecuada para el FOV seleccionado, en cada FOV. Esta es la razón por la cual se ha desarrollado la invención de un aparato de barrido automático de la LOS dependiente del FOV. Las ventajas de esta invención se incluyen en este documento.
El documento GB 2 273 413 A desvela un sistema y un procedimiento para realizar un reconocimiento electro-óptico panorámico de gran alcance de barrido por sectores de una vista a mayores velocidades de una aeronave. La vista se barre a una velocidad de barrido no lineal. La imagen se convierte en una señal electrónica, la cual se transmite a una estación terrestre donde se procesa para proporcionar datos de imágenes visuales que representan la vista. La distorsión inducida en estos datos como resultado de la velocidad de barrido no lineal se elimina para proporcionar una imagen final sin distorsiones.
El documento EP 0 399 180 A2 desvela un procedimiento y un aparato para buscar y realizar un seguimiento de múltiples blancos en un espacio con objetos. El aparato incluye una unidad de generación de imágenes FLIR (infrarrojo de barrido frontal, forward looking infrared) de blancos que puede hacerse funcionar para generar una salida como respuesta a las observaciones de los múltiples blancos. El aparato también incluye una unidad electrónica de búsqueda y de seguimiento mediante infrarrojos que permite la detección y el seguimiento de los múltiples blancos como respuesta a la salida de la unidad de generación de imágenes FLIR de blancos.
El documento US 5.663 825 A desvela un procedimiento y un aparato para mantener una línea de visión (LOS) en un sistema de generación de imágenes de barrido con un movimiento relativo y continuo entre el campo visual (FOV) del sistema y el plano de imagen. El aparato incluye un mecanismo de barrido tal como un cardán y un mecanismo de barrido inverso (descan mechanism). El mecanismo de barrido inverso realiza un barrido inverso de la imagen induciendo un movimiento relativo que es opuesto a la dirección de movimiento del mecanismo de barrido. Por tanto, una línea de visión (LOS) se mantiene durante un periodo de tiempo. Después, el aparato captura un nuevo campo visual (FOV) para realizar posteriormente un barrido inverso de la nueva línea de visión durante otro periodo de tiempo.
El documento EP 0 609 162 A desvela un aparato para evitar la colisión con obstáculos en el aire. El aparato incluye un sensor de objetos para detectar objetos dentro de un campo visual (FOV) de la aeronave. El aparato incluye además un sistema de navegación de aeronave para pilotar la aeronave a través del espacio. Un procesador de señales acoplado al sensor de objetos y al sistema de navegación de la aeronave genera datos cartográficos de los objetos dentro del FOV y modifica dinámicamente los datos cartográficos a medida que la aeronave se desplaza a través del espacio con el fin de determinar la probabilidad de que la aeronave esté en un rumbo de colisión con respecto a cada objeto detectado.
Descripción de la invención
Un objeto de la presente invención es proporcionar un procedimiento y un aparato de barrido automático de la LOS dependiente del FOV cuya condición de barrido (el ancho y la frecuencia de barrido) se determine automáticamente en función del FOV elegido por el operador.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar un procedimiento y un aparato de barrido automático de la LOS dependiente del FOV que permita al operador seleccionar el conjunto de parámetros (la constante m del ancho de observación y el tiempo t_{e} de integración del ojo) apropiado para el propio operador ya que normalmente cada persona tiene una sensibilidad diferente para el barrido del FOV.
Con el fin de conseguir los objetos mencionados anteriormente, se proporciona un procedimiento de barrido de la LOS dependiente del FOV en una cámara con zoom asistida por torreta de abertura relativa constante (f/D) donde puede modificarse continuamente el FOV, en el que el ancho de barrido depende del FOV a través de la siguiente relación:
1
(W_{s} es el ancho de barrido y m es la constante del ancho de observación).
La frecuencia media de barrido de la LOS durante la mitad del periodo se determina en función del FOV a través de la siguiente relación:
2
(\Omega_{s} y t_{e} son respectivamente la frecuencia de barrido y el tiempo de integración del ojo. C_{0} y C_{1} con constantes proporcionales) por lo que el mecanismo de barrido de la LOS se determina, basándose en las dichas dos ecuaciones, de la siguiente manera:
3
(\theta_{SCAZ} Y \theta_{SCEL} son respectivamente el ángulo azimutal y de elevación del vector de la LOS. Los AZ_{LOS} (EL_{LOS}) son el ángulo azimutal (de elevación) inicial de la dirección de la LOS. Por otro lado, n(t_{e}) se expresa como C'/t_{e} con constante C').
Además, un aparato de barrido automático de la LOS según la invención comprende una unidad de sensor de torreta (TSU, turret sensor unit) que incluye un sensor con dispositivos ópticos de zoom variable, estructuras mecánicas y un controlador de estabilización, una unidad de visualización multifuncional (MFDU, multifunctional display unit) que visualiza la imagen y la simbología; una unidad de control multifuncional (MFCU, multifunctional control unit) que establece la interfaz entre todo el sistema de cámara y el operador; una unidad electrónica del sistema (SEU, system electronics unit) que incluye un procesador de control del sistema (SCP, system control processor), un servocontrolador digital (DSC, ditgital servo controller), una tarjeta de interfaz de vídeo (VIF, vídeo interface board) y módulos de energía (PWR, power modules), en el que el SCP está conectado a los otros módulos para recibir y transmitir todos los datos entre los módulos constituyentes y para controlar todo el sistema de cámara, el DSC controla la LOS con los datos del FOV mandados desde la MFCU a través del SCP, la VIF genera la simbología relacionada con los datos de sensor y el PWR suministra energía a todos los módulos, en el que el SCP y el DSC incluyen una memoria que almacena el programa para el algoritmo del proceso de barrido para determinar la condición de barrido según las siguientes relaciones:
ancho de barrido = f_{1}(FOV, m); función monótona del FOV con parámetro m,
frecuencia de barrido = f_{2}(FOV, t_{e}); función monótona del FOV con parámetro t_{e},
(m es la constante del ancho de observación y t_{e} es el tiempo de integración del ojo)
y un proceso de calibración también está programado en la misma memoria permitiendo al operador seleccionar la sensibilidad del FOV de la condición de barrido apropiada para él mismo modificando los parámetros.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1a es una vista en perspectiva que muestra cómo se lleva a cabo el reconocimiento por helicóptero, en la que se indica la LOS de la cámara y su trayectoria de barrido.
La Figura 1b es una vista lateral de la TFU (unidad FLIR de torreta, turret FLIR unit) montada en el morro de un helicóptero LYNX.
La Figura 2 muestra la dependencia del ancho de barrido con respecto al FOV.
La Figura 3a muestra la relación del plano focal de la cámara y el plano proyectado sobre el terreno.
La Figura 3b ilustra la relación del plano focal y el plano de tierra mostrada en dos longitudes focales diferentes, es decir, f_{NFOV} y f_{WFOV}.
La Figura 4 muestra la dependencia de la frecuencia media de barrido con respecto al FOV.
La Figura 5 muestra el perfil de barrido (t_{e} = 0,075) representado gráficamente en función del FOV.
La Figura 6 muestra un diagrama funcional del sistema de cámara asistido por torreta en el que se aplica la presente invención.
La Figura 7 es una imagen de un sistema HFLIR en el que se aplica esta invención, el cual comprende las cuatro LRU mencionadas, tales como la TFU, la SEU, la MFDU y la MFCU.
La Figura 8 es una imagen de una SEU, una de las cuatro LRU del HFLIR, en la que se indican las memorias flash.
La Figura 9 es una imagen de una TFU y de sus componentes.
La Figura 10a es una vista en perspectiva de una MFCU en la que se muestran algunos números que indican algunas teclas de control.
La Figura 10b es una imagen que muestra la pantalla de calibración en el monitor (MFDU) a través de la cual el usuario puede seleccionar los conjuntos de parámetros de barrido (FRECUENCIA, ANCHO DE BARRIDO).
La Figura 11 es un diagrama de bloques típico de un servocontrolador.
La Figura 12 es una diagrama de flujo que ilustra el funcionamiento del proceso de barrido de la LOS de esta invención.
La Figura 13a muestra el ancho de barrido medido en varios FOV para el caso de un HFLIR.
La Figura 13b muestra la frecuencia de barrido medida en varios FOV para el caso de un HFLIR.
La Figura 14a muestra una imagen tomada en el FOV = 9º (aumento = x4,5) en el caso de un HFLIR.
La Figura 14b muestra una imagen tomada en el FOV = 40º (aumento = x1,0) en el caso de un HFLIR.
Descripción detallada de la invención
Un barrido de la LOS de la cámara implica la exploración de la LOS en el plano azimutal con referencia a su posición inicial como la oscilación de un simple péndulo (véase la Figura 1a). La presente invención de un procedimiento de barrido automático de la LOS dependiente del FOV puede aplicarse a cualquier tipo de sistema de cámara con zoom asistido por torreta para realizar un reconocimiento y para vigilancia. A continuación se describen su enfoque de diseño y la implementación del aparato.
1. Diseño e implementación
1)
La condición de barrido (el ancho y la frecuencia de barrido) está diseñada para depender del FOV elegido por el operador para maximizar la eficacia operativa, cuando también deben considerarse los requisitos de nivel del sistema para una misión de reconocimiento.
2)
En el campo visual amplio (WFOV, wide field of view), el ancho de barrido de la LOS debe ajustarse al campo de visión (FOR, field of regard) como un requisito de nivel superior. Por tanto, el ancho de barrido máximo se determina por el requisito del FOR. Concretamente, el ancho de barrido = f_{1}(m, FOV) FOR.
3)
La degradación de la calidad de imagen debido al barrido no debería ser muy alta, de manera que aún pueda distinguirse la imagen, lo que debería limitarse comprobando el rendimiento del campo (las frecuencias de detección y de reconocimiento). Esta es la razón por la que debe analizarse el rendimiento de la SNR, la MTF y la MRT. Basándose en estos análisis, la relación entre la frecuencia de barrido y el FOV puede obtenerse exactamente con la limitación en la calidad de imagen; frecuencia de barrido = f_{2}(FOV).
4)
Además, la sensibilidad del ojo (también denominada tiempo de integración del ojo, t_{e}) es también una de las medidas que define la calidad de la imagen. Por tanto, adquiere el rol de un parámetro para controlar la frecuencia de barrido: frecuencia de barrido = f_{2}(t_{e}, FOV).
5)
Ahora puede establecerse la expresión completa para el mecanismo de barrido de la LOS dependiente del FOV, la cual requiere los puntos 2) a 4), como la forma de ecuación paramétrica del movimiento de barrido = (ancho de barrido) x sen {f_{3}(m, t_{e}, FOV), tiempo}.
6)
Como puede observarse a partir de la ecuación del aparato 2) y del apartado 4), puede controlarse las inclinaciones de la condición de barrido para el FOV ajustando los parámetros (m y t_{e}). Las inclinaciones reflejan la sensibilidad de la condición de barrido para el FOV.
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2. Diseños teóricos del barrido de la LOS dependiente del FOV 1) Trasfondo teórico acerca de la NSR, la MTF y la MRT
Las cantidades representativas que determinan la calidad de la imagen son la SNR y la MTF. La SNR se refiere al rendimiento radiométrico y la MTF a la resolución espacial en el dominio de frecuencia (v) espacial. En el caso real, el objeto bajo observación consiste en varios componentes de blanco caracterizados por varias intensidades radiométricas diferentes de manera que la calidad de la imagen para la cámara visible se expresa normalmente mediante
4
donde SNR(0) es la SNR del sistema para un fondo uniforme, MTF_{tot} la MTF del sistema que incluye todas las contribuciones tales como la MTF óptica (MTF_{óptica}), la MTF de movimiento (MTF_{movi}) y otras (MTF_{otras}), etc.
En lo que se refiere a la cámara visible, el haz incidente (L_{1}: radiancia espectral) sobre los dispositivos ópticos reflejado desde el blanco (reflectancia: \rho) se transmite a través de la atmósfera y después se convierte en la señal electrónica mediante el detector. En este caso, la señal (S_{V}) es proporcional a la intensidad del haz incidente, a la transmitancia atmosférica (\tau_{a}), al ángulo sólido (\Omega) subtendido al pixel detector, a la pupila de entrada de los dispositivos ópticos (D), a la responsividad (R) del detector y a la trasmitancia (\tau_{0}) de los dispositivos ópticos. Por tanto, la S_{V} se expresa como
5
donde p, f y \lambda son el tamaño de pixel, la longitud focal y la longitud de onda de la luz, respectivamente. La SNR (SNR_{C}^{vis}), debido a la diferencia de reflectividad (\Delta\rho = \rho_{T} - \rho_{B}) del blanco con respecto al fondo, se expresa como
6
Por otro lado, la diferencia de reflectancia del equivalente de ruido (NE \Delta \rho), definida como la \Delta \rho que satisface que SNR (0) = 1 con \tau_{a} = 1 en la ecuación 3, lleva a
7
Por tanto, SNR(v)_{C}^{vis} pasa a ser
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8
Según la ecuación 4, sin importar cómo varía la longitud focal f, la NE \Delta\rho permanecerá invariable bajo la situación abertura relativa constante (f/D).
Asimismo, la SNR de contraste (SNR_{C}^{IR}) para una cámara IR se deriva para mostrar casi la misma expresión que la ecuación 5 excepto para la fuente del haz incidente: L_{1} = L_{1}(\lambda,T). La SNR de contraste (SNR_{C}^{IR}), debido a la diferencia de temperatura del blanco con respecto al fondo (\Delta T = T_{T} - T_{B}) viene dada por
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9
donde NE\Delta T es el equivalente de ruido con respecto a la diferencia de temperatura. Los principios físicos de las ecuaciones 2 a 6 implican que la SNR para la cámara con f/D constante permanece constante independientemente del cambio en la longitud focal, sea cual sea la modificación de f. Concretamente, el contraste de la imagen para tal cámara se determina sólo mediante el rendimiento de la MTF.
Por otro lado, la \Delta T apenas medible a través del monitor se denomina MRT (diferencia de temperatura resoluble mínima, minimum resolvable temperature difference), la cual incluye incluso el factor humano. Reordenando la ecuación 6 para la MRT, ésta puede expresarse como
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10
donde SNR_{umb} es la SNR umbral (SNR_{umb} = 2,28), n' la constante, t_{e} el tiempo de integración del ojo (0,05 0,2 s), t_{trama} el tiempo de trama. v_{N} y \alpha son respectivamente la frecuencia de Nyquist y la relación de aspecto de pixel. Incluso la ecuación 7 prevé las mismas características que las de las ecuaciones 5 y 6: dicho de otro modo, para la cámara de zoom con f/D = constante, el contraste de la imagen sólo está relacionado con la MTF.
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2) El ancho de barrido a partir del análisis de requisitos y de la misión
Considerando el significado físico de la FOR de observación como un requisito de alto nivel, el ancho de barrido (W_{s}) de la LOS de la cámara se expresa como
100
donde m es la constante del ancho de observación y su alcance se determina por el campo de visión (FOR), uno de los requisitos del sistema. Con el fin de observar todas las direcciones en un ángulo de 360º (es decir, FOR = \pm 180º) en WFOV = 40º, debe girarse la LOS desde -160º hasta +160º, dando como resultado m=4. La condición de m=1 no tiene sentido debido al ancho de barrido demasiado estrecho y, por tanto, m oscila entre 2,0 y 4,0 aproximadamente. La ecuación 8 implica que el ancho de barrido es proporcional al FOV (véase la fig. 2).
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3) La frecuencia de barrido a partir de los análisis del rendimiento de la SNR, la MTF y la MRT
El análisis de la sección 1) revela que la SNR para la cámara con f/D constante permanecía constante independientemente de la modificación de f. Si hay un movimiento de barrido adicional de la LOS, esto afectará a la calidad de la imagen debido a la degradación de la MTF, especialmente sólo para la MTF_{movi} en la ecuación 1. Sin embargo, esta degradación se compensa hasta cierto punto debido al acortamiento de la longitud focal (el alargamiento del FOV), lo que es uno de los puntos claves de esta invención. La degradación de la MTF debido al movimiento de barrido se expresa de la siguiente manera
12
(c:constante)
donde v_{sc} y t son respectivamente la velocidad de barrido del vector de longitud focal y la duración de tiempo pertinente. T_{y} y V_{sc} son a su vez el componente y de pixel de plano de tierra y la velocidad de barrido de la LOS (véase la fig. 3a). Como puede observarse a partir de la ecuación 9, puede limitarse la degradación de la calidad de la imagen manteniendo la MTF_{movi} = constante (en especial v_{sc} = constante).
A partir de la relación de la longitud focal y el FOV mostrada en la fig. 3, puede obtenerse la velocidad de barrido de la LOS de la cámara, V_{sc}, y, por lo tanto, la frecuencia de barrido viene dada por
13
donde el tiempo de integración t_{intg} puede convertirse en el tiempo de integración del ojo t_{e} desde el punto de vista de la ingeniería. La ecuación 10 implica que la frecuencia de barrido es casi linealmente proporcional al FOV (véase la fig. 4). C_{0} incluye todas las constantes (c, n', l_{y}, p, t_{e}) en la ecuación 10.
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4) El mecanismo de barrido de la LOS para un servocontrol
Las posiciones de referencia iniciales (el ángulo de elevación y el ángulo azimutal) pueden establecerse mediante los mismos valores que los del modo anterior o mediante el comando indicado manualmente con la palanca de mando incluso en el modo de barrido. Por otro lado, el movimiento de barrido puede implementarse por el servocontrolador en función del seno o del coseno, como la siguiente ecuación.
14
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La frecuencia media de barrido durante la mitad del periodo viene dada por
15
\newpage
A partir de la ecuación 12, \omega en la ecuación 11 puede obtenerse de la siguiente manera:
16
Puesto que la función de tan(FOV/2) en la ecuación 13 es casi lineal al FOV en el alcance de FOV < 40º, puede observarse que \omega es casi constante en todo el alcance del FOV. Por tanto, el mecanismo de servocontrol implica que la LOS de la cámara realiza automáticamente un barrido con el ancho y con la frecuencia establecidos en función del FOV, lo que puede expresarse como
17
donde AZ_{LOS} y EL_{LOS} son los valores de referencia del ángulo azimutal y del ángulo de elevación, respectivamente.
Las posiciones de referencia del barrido pueden establecerse mediante el ángulo de elevación y el ángulo azimutal en el modo anterior o mediante el comando indicado manualmente con la palanca de mando incluso en el modo de barrido. Haciendo referencia a las características de esta invención reflejadas en la ecuación 14, la función de tan(FOV/2) es linealmente proporcional al FOV en el alcance de FOV/2 < 20º y , por consiguiente, el periodo de barrido es casi constante en todo el alcance del FOV (véase la fig. 5).
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3. Implementación de un aparato de barrido de la LOS
La presente invención se explica presentando, por ejemplo, el HFLIR (sistema FLIR llevado por helicóptero) pero puede aplicarse a cualquier tipo de sistema de cámara con zoom asistido por torreta que use haces visibles o haces IR.
La Figura 1a es una vista en perspectiva que muestra cómo la LOS de una cámara (denominada HFLIR) realiza un barrido de reconocimiento usando un helicóptero y la Figura 1b es la vista lateral de una TFU montada en el morro de un helicóptero LYNX. La TFU modifica la dirección de su LOS girando la unidad de torreta alrededor de los ejes del ángulo de elevación y del ángulo azimutal.
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1) Componentes del aparato
La Figura 6 muestra todos los componentes de un HFLIR en el que se adopta realmente esta invención. En esta figura, el HFLIR consiste en cuatro unidades reemplazables en línea (LRU, line replaceable unit) diferentes, tales como la unidad de visualización multifuncional (MFDU), la unidad de control multifuncional (MFCU), la unidad electrónica del sistema (SEU) y la unidad FLIR de torreta (TFU).
La MFDU visualiza la imagen IR y toda la simbología que incluye los caracteres y los valores numéricos. La MFCU establece la interfaz entre el operador y todo el sistema HFLIR.
La SEU tiene cinco placas diferentes tales como un procesador de control de sistema (SCP), un servocontrolador digital (DSC), una tarjeta de interfaz de vídeo (VIF), una placa de energía (PWR) y una placa de energía electrónica del FLIR (FEB, FLIR electronics power board).
El SCP está conectado a todos los demás módulos para recibir y transmitir todos los datos entre los módulos constituyentes, y para controlar y administrar el HFLIR, como un cerebro humano. El DSC controla la LOS de la TFU con los datos del FOV recibidos desde el SCP y la VIF genera la simbología (el FOV, la dirección de la LOS, etc.) recibida desde el SCP y la muestra junto con la imagen IR que proviene del módulo de sensor IR. La PWR y la FEB suministran energía a todos los módulos.
La TFU consiste en un módulo de sensor IR, en estructuras mecánicas y en un controlador de estabilización. La estructura mecánica incluye un cardán interior y un cardán exterior de 4 ejes. El cardán interior y el cardán exterior giran, con la ayuda del motor, alrededor del eje de elevación y del eje azimutal. El potenciómetro, el giroscopio y el motor están montados en el cardán interior al cual está sometido el cardán exterior con el dispositivo de resolución. El controlador de estabilización consiste en un módulo servoamplificador y en un módulo de bloque de alimentación (véase la Figura 9).
La Figura 6 muestra la relación funcional de todos los módulos, la cual puede explicarse de la siguiente manera. Si el operador genera un comando de modificación de la LOS mediante la MFCU, este comando se transmite al DSC a través del SCP, dando lugar a una señal de accionamiento giroscópico. Esta señal se introduce en el giroscopio de la TFU y su señal de salida se introduce de nuevo en el DSC para generar un comando que se amplifica después lo suficiente, mediante el módulo servoamplificador, para accionar el motor del cardán interior. El potenciómetro se usa para medir la diferencia en la posición entre el cardán interior y el cardán exterior. La diferencia de posición medida se transmite al DSC, el cual genera la señal en la misma medida que la rotación del cardán interior. Esta señal también se amplifica mediante el módulo servoamplificador y después se introduce para derivar el motor del cardán exterior. Al mismo tiempo, el dispositivo de resolución mide el cambio de posición del cardán exterior y lo transmite al DSC. Usando estas funciones, el operador puede modificar la LOS de la TFU.
La Figura 7 muestra el HFLIR fabricado, el cual se ha montado en tres tipos diferentes de helicóptero tales como el Super-LYNX, el UH-60 y el HH-47. La Figura 8 muestra imágenes de la SEU y de las placas electrónicas que la forman, donde el SCP y el DSC se muestran en mayor detalle. La Figura 9 ilustra la TFU.
La relación funcional de todos estos módulos se explica en la siguiente sección estableciendo el mecanismo de barrido de la LOS dependiente del FOV de la ecuación 14. Según este proceso, se obtiene el barrido de la LOS dependiente del FOV.
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2) Proceso de barrido
El proceso de barrido puede realizarse basándose en el diagrama de bloques funcional mostrado en la Figura 6, el cual funciona de la siguiente manera.
1. El operador inicia el modo de barrido ejecutando el BARRIDO mostrado en el monitor con la MFCU o directamente pulsando el botón pertinente (véase la Figura 10b).
2. Cuando se controle la tecla del FOV ubicada en la MFCU, este comando se transmite al módulo de sensor IR a través del SCP de manera que el FOV de la cámara se modifica consecuentemente. La referencia del FOV actual también se visualiza en el monitor para notificarla al operador (véase la Figura 10b).
3. El módulo de sensor IR transmite la referencia del FOV al DSC a través del SCP.
4. En el DSC, la condición de barrido (ancho de barrido = f_{1}(m, FOV) y frecuencia de barrido = f_{2}(t_{e}, FOV)) dependiente del FOV se introduce en el bucle de posición (véase la Figura 11). Los ángulos de referencia iniciales siguen los ángulos establecidos en el modo anterior o los comandos originados desde la palanca de mando, que también se introducen en el bucle de posición. Aunque esté ejecutándose el modo de barrido, el operador puede modificar la referencia de la LOS generando el comando manual con la palanca de mando (véase la Figura 11).
5. El comando de barrido y manuales que controlan la LOS se introducen en el giroscopio en el bucle de estabilización para llevar a cabo la desviación con respecto al plano inercial, haciendo que el controlador de estabilización derive el motor del cardán interior para minimizar esta desviación (véase la Figura 11).
6. En el controlador de bucle esclavo, el potenciómetro mide la diferencia de posición del cardán exterior con respecto al cardán interior y después hace que el cardán exterior gire en la misma medida que esa diferencia (véase la Figura 11).
7. La posición del cardán exterior se mide mediante el dispositivo de resolución que se compara después con el comando de la LOS del mecanismo de barrido en el bucle de posición. El bucle de posición repite el proceso 4 a 6 (comparando los dos valores y minimizando su diferencia) hasta que la diferencia sea nula.
8. Además del proceso anterior, el operador puede seleccionar los parámetros de barrido (m, t_{e}) adecuados para él mismo a través del modo de calibración, es decir, la sensibilidad de la condición de barrido para el FOV puede establecerse seleccionado los parámetros adecuados para el operador (véase la Figura 10).
9. Cuando se salga de la pantalla de calibración mostrada en la Figura 10, el servomodo de torreta vuelve al modo manual. Se ejecuta de nuevo el modo de barrido con el fin de iniciar el barrido de la LOS con los nuevos parámetros. Si el FOV se modifica durante el movimiento del barrido, la condición de barrido se modifica posteriormente.
La Figura 12 muestra el diagrama de flujo realizado según el proceso de barrido mencionado anteriormente.
3) Calibración de los parámetros de barrido
Es necesario que el operador calibre el ancho y la frecuencia de barrido estableciendo los parámetros de barrido (m, t_{e}) apropiados para el operador a través del modo de calibración. Para hacer esto, se necesita la palanca de mando o el teclado, así como el monitor. En cuanto al HFLIR, se usaron la MFCU y la MFDU (véase la Figura 10a).
Para el caso del FLIR llevado por helicóptero, es deseable asignar la tecla de control del FOV de la MFCU para la comodidad del piloto durante el vuelo. Por tanto, cuando se controle el FOV, el proceso de barrido determina automáticamente el ancho y la frecuencia de barrido. Puesto que generalmente el operador puede preferir la sensibilidad de la condición de barrido para el FOV apropiada para él mismo, éste puede calibrarla antes del despegue para realizar un reconocimiento. Por tanto, el modo de calibración se realiza necesariamente para que el operador elija la sensibilidad adecuada para sí mismo.
Usando el modo de calibración, el operador puede seleccionar la m y el t_{e} en la pantalla de calibración mostrada en el monitor (véase la Figura 10b). En esta figura, el parámetro de barrido <PARÁMETRO DE BARRIDO> tiene dos parámetros: el ANCHO y la FRECUENCIA. El ANCHO y la FRECUENCIA corresponden a la constante (m) del ancho de observación y al tiempo (t_{e}) de integración del ojo, respectivamente. Estas dos correspondencias presentan una relación proporcional, la cual también está codificada y almacenada en la memoria flash del SCP y está oculta implícitamente. El operador puede ver sólo el ANCHO y la FRECUENCIA en lugar de la m y el t_{e}. En este caso, se establece que m = 2,5 y t_{e} = 0,075s como el caso típico (es decir, ANCHO = 1 y FRECUENCIA = 1) y los incrementos de los parámetros se simplifican con referencia al caso típico (véase la Tabla 1).
El procedimiento de calibración para el HFLIR es como sigue. El operador genera el cursor * en la pantalla de calibración pulsando la tecla b de la MFCU y mueve el * hacia el ANCHO e o hacia la FRECUENCIA f empujando la tecla c hacia arriba o hacia abajo. Por último, el operador ejecuta el elemento con cursor pulsando la tecla d de la MFCU para hacer que parpadee. Durante el parpadeo de los cursores, el operador puede seleccionar un determinado valor en el intervalo de +1,4 .+0,8 con la tecla b. Después, pulsando la tecla d, detiene su parpadeo, lo que implica almacenar el parámetro de barrido seleccionado. Por otro lado, la relación del ANCHO y m, así como la de la FRECUENCIA y t_{e}, se resume en la tabla 1. Tal como se muestra en esta tabla, m = 2,5 se corresponde con el ANCHO = +1,0 y t_{e} = 0,075s se corresponde con la FRECUENCIA = +1,0.
TABLA 1 Relación del ANCHO y m, y de la FRECUENCIA y t_{e}
18
En las Figuras 8a y 8b, los circuitos integrados (IC, integrated circuits) señalados por los círculos son la memoria flash de función EPROM. En el diagrama de flujo del proceso de barrido mostrado en la Figura 12, la zona abierta está programada en la memoria flash del SCP (Figura 8a) y la zona sombreada está en la memoria flash del DSC (Figura 8b).
4. Resultados de prueba y de evaluación
Las Figuras 13a y 13b muestran respectivamente el ancho de barrido y la frecuencia media de barrido medidos en función del FOV, identificando la imagen IR con buena calidad visualizada en la MFDU.
Los puntos de referencia para el ancho de barrido se midieron en proporción con el FOV, como el diseño (línea continua) de la ecuación 8. Los datos resultaron ser consistentes con el diseño dentro del error experimental. La frecuencia media de barrido medida también cumplió con el diseño (línea continua) de la ecuación 10.
El periodo de barrido se mide para que sea casi constante independientemente del FOV cuando no se observa ninguna degradación seria en la calidad de la imagen. Las imágenes capturadas se muestran en la Figura 14. Esto sólo es válido para la cámara con zoom de abertura relativa constante, como puede observarse a partir de los principios teóricos de la sección B.
Los resultados de prueba y de evaluación para esta invención se han comprobado desde los puntos de vista del cumplimiento de una misión de reconocimiento, de la comodidad funcional y operativa y de la eficacia operativa.
Considérese el punto de vista de una misión de reconocimiento. Cuando se usa el modo de barrido en el WFOV, el piloto observa normalmente una amplia zona sobre tierra en una distancia barriendo la LOS con una velocidad angular relativamente alta. Si encuentra un determinado blanco de interés, gradualmente estrechará el FOV y disminuirá el ancho de barrido y reducirá la frecuencia con el fin de ver el blanco en mayor detalle. Los resultados de prueba de esta invención se evaluaron para reflejar fielmente estas características de las misiones de reconocimiento.
A continuación, considerando el punto de vista funcional y el operativo, el usuario puede ajustar muy fácilmente el FOV de la cámara de zoom continuo con la MFCU. La condición de barrido (el ancho y la frecuencia de barrido) se establece automáticamente basándose en el FOV seleccionado, dando como resultado la implementación del barrido dependiente del FOV. Con la ayuda de esta invención, el operador (el piloto) puede llevar a cabo fácilmente la misión de reconocimiento sin ninguna dificultad, las cuales se producirían mediante la aplicación del procedimiento de barrido manual de la LOS en la cámara con zoom continuo cuando la condición de barrido deba reajustarse en cada paso de zoom. Además, el operador puede seleccionar la sensibilidad del FOV de la condición de barrido apropiada para él mismo modificando los parámetros de barrido a través del modo de calibración. Por tanto, puede decirse que la eficacia operativa para una misión de reconocimiento se mejora notablemente aplicando esta invención en el HFLIR.
Aplicabilidad industrial
Esta invención puede aplicarse a todos los sistemas de cámara con zoom asistidos por torreta donde se requiera una misión de vigilancia y de reconocimiento: un lugar público como un aparcamiento, una oficina de banco y parques, así como un avión (vehículo aéreo no tripulado, de vuelo fijo o giratorio) y una embarcación (barcos de guerra o de crucero), etc.

Claims (10)

1. Un procedimiento de barrido de la línea de visión (LOS) dependiente del campo visual (FOV) en una cámara con zoom continuo asistida por torreta de abertura relativa constante (f/D) donde puede modificarse continuamente el FOV, caracterizado porque
el ancho de barrido depende del FOV a través de la siguiente relación:
19
donde W_{s} es el ancho de barrido y m es la constante del ancho de observación;
La frecuencia media de barrido de la LOS durante la mitad del periodo se determina en función del FOV a través de la siguiente relación:
20
donde \Omega_{s} y t_{e} son respectivamente la frecuencia de barrido y el tiempo de integración del ojo y C_{0} y C_{1} con constantes proporcionales;
por lo que, basándose en las dos ecuaciones anteriores, el mecanismo de barrido de la LOS dependiente del FOV se expresa de la siguiente manera:
21
donde \theta_{SCAZ} Y \theta_{SCEL} son respectivamente el ángulo azimutal y el ángulo de elevación del vector de la LOS, AZ_{LOS} y EL_{LOS} son la posición de referencia inicial de la LOS en el ángulo azimutal y en el ángulo de elevación y n(t_{e}) se expresa como C'/t_{e} con la constante C'.
\vskip1.000000\baselineskip
2. El procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque m oscila entre 2,0 y 4,0 de manera que el operador puede ajustar la sensibilidad del ancho de barrido al FOV realizando una selección en ese intervalo.
3. El procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque t_{e} oscila entre 0,06 y 0,11 de manera que el operador puede ajustar la sensibilidad de la frecuencia de barrido al FOV realizando una selección en ese intervalo.
4. El procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el periodo de barrido de la LOS de la cámara es casi constante independientemente del FOV.
5. Un aparato de barrido de la línea de visión (LOS) dependiente del campo visual (FOV) en un sistema de cámara con zoom continuo, caracterizado porque consiste en:
una unidad de módulo de sensor de torreta (TSU) que incluye un sensor con dispositivos ópticos de zoom variable, estructuras mecánicas y un controlador de estabilización;
una unidad de visualización multifuncional (MFDU) que visualiza la imagen y la simbología;
una unidad de control multifuncional (MFCU) que establece la interfaz entre un sistema de cámara y un operador;
una unidad electrónica del sistema (SEU) que incluye un procesador de control del sistema (SCP), un servocontrolador digital (DSC), una tarjeta de interfaz de vídeo (VIF) y módulos de energía (PWR), en el que el SCP está conectado a los otros módulos para recibir y transmitir todos los datos entre los módulos constituyentes y para controlar todo el sistema de cámara, el DSC está dispuesto para controlar la LOS con los datos del FOV mandados desde la MFCU a través del SCP, la VIF está dispuesta para generar la simbología relacionada con los datos de sensor y el PWR está dispuesto para suministrar energía a todos los módulos;
\newpage
en el que el SCP y el DSC incluyen una memoria para almacenar el programa para el algoritmo del proceso de barrido para determinar la condición de barrido según las siguientes relaciones:
ancho de barrido = f_{1}(m, FOV); f_{1} siendo una función monótona del FOV con parámetro m,
frecuencia de barrido = f_{2}(t_{e}, FOV); f_{2} siendo una función monótona del FOV con parámetro t_{e},
donde m es la constante del ancho de observación y te es el tiempo de integración del ojo;
y un proceso de calibración también está programado en la misma memoria permitiendo que el operador seleccione la sensibilidad del FOV de la condición de barrido apropiada para él mismo modificando los parámetros.
\vskip1.000000\baselineskip
6. El aparato según la reivindicación 5, caracterizado porque el aparato está dispuesto de tal manera que el ancho de barrido es proporcional al FOV seleccionado por el operador a través de la siguiente ecuación:
22
donde W_{s} es el ancho de barrido y m es la constante del alcance de observación.
\vskip1.000000\baselineskip
7. El aparato según la reivindicación 6, caracterizado porque el aparato está dispuesto de tal manera que m oscila entre 2,0 y 4,0 de manera que el operador puede ajustar la sensibilidad del ancho de barrido al FOV realizando una selección en ese intervalo.
8. El aparato según la reivindicación 5, caracterizado porque el aparato está dispuesto de tal manera que la frecuencia de barrido es casi lineal al FOV seleccionado por el operador a través de la siguiente relación:
23
donde \Omega_{s} y t_{e} son respectivamente la frecuencia de barrido y el tiempo de integración del ojo y C_{0} y C_{1} con constantes proporcionales.
\vskip1.000000\baselineskip
9. El aparato según la reivindicación 8, caracterizado porque el aparato está dispuesto de tal manera que t_{e} oscila entre 0,06 y 0,11 de manera que el operador puede ajustar la sensibilidad de la frecuencia de barrido al FOV realizando una selección en ese intervalo.
10. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9, caracterizado porque el aparato se aplica a una cámara con zoom asistida por torreta que está caracterizada por la detección de luz infrarroja (IR) o de luz visible.
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