ES2319408T3 - Procedimiento y aparato de barrido de la linea de vision de una camara en un sistema de camara con zoom continuo. - Google Patents
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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.
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.
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.
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:
(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:
(\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:
(\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.
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.
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)
- 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.
\vskip1.000000\baselineskip
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
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
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
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
Por tanto, SNR(v)_{C}^{vis} pasa a
ser
\vskip1.000000\baselineskip
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
\vskip1.000000\baselineskip
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
\vskip1.000000\baselineskip
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.
\vskip1.000000\baselineskip
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
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).
\vskip1.000000\baselineskip
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
(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
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.
\vskip1.000000\baselineskip
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.
\vskip1.000000\baselineskip
La frecuencia media de barrido durante la mitad
del periodo viene dada por
\newpage
A partir de la ecuación 12, \omega en la
ecuación 11 puede obtenerse de la siguiente manera:
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
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).
\vskip1.000000\baselineskip
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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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.
\vskip1.000000\baselineskip
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.
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.
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).
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.
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:
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:
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:
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:
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:
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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