AT266229B

AT266229B - Verfahren und Einrichtung zur Umwandlung eines Wärmebildes in ein Bild im sichtbaren Strahlenbereich

Info

Publication number: AT266229B
Application number: AT1068766A
Authority: AT
Original assignee: Siemens Ag Albis
Priority date: 1966-03-03
Filing date: 1966-11-18
Publication date: 1968-11-11

Description

Verfahren und Einrichtung zur Umwandlung eines Wärmebildes in ein Bild im sichtbaren Strahlenbereich
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das umgebende Gelände ab.

Es wurden deshalb auch schon Geräte vorgeschlagen, die gestatten, einen Gegenstand oder das Ge- lände in einem bestimmten Gesichtswinkel vollständig abzubilden. Dazu wird das mit einer Optik ab- gebildete Gesichtsfeld zeilen- und punktweise abgetastet und synchron mit dem Abtastvorgang aufgezeichnet. Die Abtastung des Gesichtsfeldes erfolgt entweder mit einem in zwei Richtungen bewegten
Linsensystem auf einem einzigen Detektor oder mit einem in nur einer Richtung bewegten Linsensy- stem auf eine Reihe von Detektoren, die die zweite Richtung nach Bildpunkten auflösen. Ein drittes Ab- tastsystem verwendet ein mosaikartig aufgeteiltes Detektorfeld, bei dem jeder Detektor einen Bild- punkt erfasst.

Die Lage der Bildpunkte im Gesichtsfeld wird dabei mit einer Abtastscheibe im Strahlen- gang der Optik bestimmt, u. zw. derart, dass in der einen Richtung jeder Zeile eine Abtastfrequenz und der Lage jedes Bildpunktes in einer Zeile eine Phasenlage des in den Detektoren erzeugten Signals zu- geordnet ist.

Für die synchrone Aufzeichnung der Signale im sichtbaren Lichtbereich wird für jede Frequenz ein eigener Kanal vorgesehen, wodurch die Information jeder Zeile für sich behandelt wird.

Für die Darstellung von Geländeausschnitten gelangen Thermozellen bzw. Thermistor-Bolometer zur Anwendung. Die Wellenlänge von Wärmestrahlen im Bereich von 300 K beträgt etwa 10 Jl. Mit die- sen Thermistorzellen kann ein weiter Temperaturbereich erfasst werden.

Um mit Thermistorzellen ein Wärmebild abzutasten, muss jedes Beugungsscheibchen der Abbil- dungsoptik während 1 bis 2 msec auf die Zelle einwirken. Dies begrenzt die Abtastfrequenz bei 500 Hz.

Mit höheren Abtastfrequenzen können zwei nebeneinanderliegende Bildpunkte nicht mehr unterschie- den werden. Bei einem Gesichtsfeld von etwa 0, 1 rad Ausdehnung und bei einer Auflösung auf 1, 10-3 rad mit jedem Bildpunktergibtdies 10 000 abzutastende Punkte. Für die Abtastung des gesamten
Bildfeldes werden mit Thermistorzellen 20 sec benötigt. Die Abtastfrequenz von 500 Hz bestimmt auch die Bandbreite des Verstärkers, mit dem das gesamte Band von 0 bis 500 Hz zu übertragen ist. Aus einem derartigen Bildsignal kann keine Redundanz mehr herausgezogen werden, um das Rauschen zu unter- drücken. Ein Zerhacken der optischen Strahlen ergibt keine Verbesserung in dieser Richtung, da auch hier die durch Spalten gegebene Ausleuchtung der Thermistorzellen 1 bis 2 msec nicht unterschreiten darf.

Diese Nachteile könnten durch folgende bekannte Massnahmen behoben werden :
1. Viel kleinere Abtastgeschwindigkeit, die Redundanz ergibt sich aus der effektiven Abtastfre- quenz und der Grenzabtastfrequenz (500 Hz). Damit wird aber ein bewegtes Objekt nicht mehr kon- tinuierlich verfolgt : Beispielsweise ein Auto mit 60 km/h, dessen Bahn senkrecht zur Abtastrichtung verläuft, könnte bei einer Abtastfrequenz von 500 Hz nur einmal aufgezeichnet werden, da es in der
Zeit, während der die Abtastung das Feld von 0, 1 rad einmal überstreicht, schon mehr als 0, 3 rad ge- fahren ist.

2. Verwendung einer Detektorzelle, die eine kleinere Bestrahlungszeit benötigt, beispielsweise eine Indium-Antimonid-Zelle. Die minimale Bestrahlungszeit liegt bei derartigen Zellen bei einigen Mi- kronsekunden. DieseZellenerfasseneinenStrahlungsbereich, dessen Langwellengrenze bei 4, 5 bis 5. 5 je liegt. Die Temperatur bei dieser Wellenlänge beträgt etwa 600 K. Diese Zellen benötigen eine Küh- lung mit flüssigem Stickstoff, also mit etwa 80 K.

3. Abtastung in spiraliger Weise, bei der die minimale Bestrahlungszeit in den Randzonen durch die Umlaufgeschwindigkeit in den einzelnen Spiralzügen berücksichtigt ist. Zwei nebeneinander auf der Spirallinie liegende Bildpunkte benötigen damit eine Abtastfrequenz von 500 Hz. Jedoch zwei ne- beneinanderliegendeBildpunkte auf zwei benachbarten Spiralzügen werden mit einer viel kleineren Ab- tastfrequenz erfasst.

So muss bei einem Gesichtswinkel von 0, 16 rad/Spiralzug in der Randzone mit etwa 1 sec gerech- net werden. Der Fortgang der Ereignisse zum nächsten Spiralzug ist damit 1 Hz, und der Rauschgewinn aus dem Verhältnis der zur Anzeige nötigen Übertragungsbandbreite zur Abtastfrequenz beträgt damit
500 : 1. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass die Auflösung in der Randzone sehr gering ist. Dagegen ist bei gleichförmiger Bewegung der Abtastung die Bestrahlungszeit in der Zentrumszone viel grösser, u. zw. ist sie direkt proportional zur Anzahl der Spiralzüge.

Die Erfindung bezweckt, den Rauschgewinn zu vergrössern, ohne das um das betrachtete Feld lie- gende Gebiet zu verkleinern und ohne Einbusse an Auflösung. Dazu wird von der bekannten Vorrichtung ausgegangen, bei der in einem ersten Kanal durch Zerlegung des Wärmebildes in diskrete Bildpunkte ein erster elektrischer Strom in Abhängigkeit von der Strahlungsintensität jedes Bildpunktes mit einer für jeden Bildpunkt charakteristischen Frequenz und Phasenlage erzeugt wird.

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sten Spiralzug auf der Thermistorzelle verweilt, beträgt somit lOOmsec. Für die Verstärkung genügt ein Frequenzbereich zwischen 10 und 500 Hz.

Im Kanal --2-- werden durch die Punktrasterscheibe-22-- den Beugungsscheibchen des Wärmebildes entsprechende Beugungsscheibchen gebildet. Die Lichtintensität kann derart gewählt werden, dass das in der Photozelle erzeugte Rauschen unterdrückt werden kann, so dass ein Signal entsteht, das weitgehend rausch frei ist. Die Punktrasterscheibe in der praktischen Ausführung kann aber nicht, wie das Wärmebild, in 20 000 Rasterpunkte aufgeteilt werden, da sonst keine genügende Rasterung mehr vorhan- den ist. Bei der weiteren Betrachtung wird deshalb angenommen, dass zwischen den Rasterpunkten gleich grosse Lücken sind. Somit werden mit der Punktrasterscheibe 10 000 Beugungsscheibchen erzeugt.

Im Korrelator --31-- werden die Signale --a-- aus dem ersten Kanal--1-- und die Signale-b- aus dem zweiten Kanal --2-- multipliziert. Am Ausgang ergibt sich in jedem Koinzidenzfall ein Gleichstromimpuls. Die Breite dieser Impulse entspricht der Zeitdauer, während der ein Beugungs- scheibchen auf dem Thermistor --14-- bzw. auf der Photozelle-24-verharrt. Die Impulsbreite entspricht damit dem jeweiligen Hub der Frequenzmodulation der einzelnen Signale. Somit werden dem Tiefpassfilter --32-- Nutzfrequenzen zwischen 500 und 10 Hz zugeführt.

Wenn nun der gesamte Frequenzbereich von 500 Hz Bandbreite weiterverwendet wird, so ergibt sich ein Rauschgewinn, der durch die Korrelation gegeben ist. Wird gemäss dem Vorschlag die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters--32-- einstellbar gemacht, so kann ein beliebiger Rauschgewinn erzielt werden. Beispielsweise sei die Grenzfrequenz auf die tiefste vorkommende Frequenz eingestellt (10 Hz).

Damitergibtsich für den innersten Spiralzug ein Verhältnis Nutzsignal zu Rauschsignal von 500 : 10 = 50.

Die Signale der Bildpunkte auf dem innersten Spiralzug werden unverändert weitergeleitet, während beispielsweise im äussersten Spiralzug nur diejenigen Signale weitergeleitet werden, deren Abstand 10 Hz entspricht, also jeder fünfzigste Bildpunkt. Die geometrische Auflösung bleibt sich aber gleich, die informative Auflösung ist jedoch kleiner. Ein Strahler am Bildrand wird somit erfasst, seine Kontur ist aber verwischt. Ein Körper, der sich vom Bildfeldrand gegen das Zentrum mit einer Geschwindigkeit von 1. 10-3 radfsecbewegt, wird im Bewegungsablauf deutlich aufgezeichnet, da die Wiederholungsfrequenz seines Auftauchens l Hz beträgt. Seine Kontur wird im Zentrum deutlich und scharf abgebildet.

Besteht bei einem derartigen Vorkommnis der Wunsch, den Körper auch im Randgebiet deutlich zu haben, so kann die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters entsprechend auf 500 Hz angehoben werden. Damit ist das Bild stärker verrauscht, jedoch auf dem gesamten Gesichtsfeld gleichmässig deutlich dargestellt. Wird beispielsweise das Tiefpassfilter in Oktavschritten veränderbar vorgesehen, so ergibt sich eine günstige Abstufung der Scharfzeichnung.

Der gleiche Effekt kann auch erhalten werden, wenn beispielsweise mit einem Tiefpassfilter, dessen Grenzfrequenz bei 10 Hz festgelegt ist, die Abtastgeschwindigkeit zehnmal vergrössert wird. Damit ist die Redundanz des Bildzentrums gerade so klein, dass kein zusätzlicher Rauschgewinn mehr erzielbar ist, jedoch wird das Bildfeld in 8 sec an Stelle von 80 sec einmal abgetastet.

Es wäre auch denkbar, die Einstellung der Grenzfrequenz mit dem Ablauf der Spirale zu synchronisieren ; damit würde ein Bild erhalten, das im ganzen Bildfeld scharf abgebildet ist, bei dem aber die Rauschfreiheit gegen das Zentrum hin zunimmt.
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quenz scharf abgebildet wird, und der Kreis --52-- deutet das Zentrum der Punktrasterscheibe-22an, bei dem naturgemäss eine Unstetigkeit zu erwarten ist und somit keine Bilddarstellung möglich ist. Im gesamten Bildfeld--50-- sei ein Geländeausschnitt abgebildet, der aus Hügeln, Wolken und Vordergrundbäumen besteht. Zwischen den Kreisen-50 und 51-- sind alle Konturen verwischt, während innerhalb des Kreises --51- die Konturen scharf abgebildet werden.

Dies ist mit dem bewaldeten Hügelrücken links und dem Vordergrundbaum rechts verdeutlicht ; so ist der Wald --55-- zwischen den zwei Kreisen--50 und 51-unscharf und der Wald-56-innerhalb des Kreises-51-- scharf. Ebenso ist der Baumteil --57-- unscharf und der Baumteil--58-- scharf. Ein Fahrzeug-60-, dessen Bewegungsablauf eine Komponente gegen das Bildzentrum zu aufweist, wird zwischen den Kreisen ebenfalls nur unscharf abgebildet, aber, sofern es sich gegen das Zentrum oder vom Zentrum gegen die Peripherie bewegt, deutlich wahrgenommen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zur Umwandlung eines Wärmebildes in ein Bild im sichtbaren Strahlenbereich, indem <Desc/Clms Page number 6> in einem ersten Kanal durch Zerlegung des Wärmebildes in diskrete Bildpunkte ein elektrischer Strom in Abhängigkeit von der Strahlenintensität jedes Bildpunktes mit einer für jeden Bildpunkt charakteristischen Frequenz und Phasenlage erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Kanal zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Stromes aus einem über ein gleichdimensioniertes Feld wie das Bildfeld des Wärmebildes bewegten Lichtpunkt vorhanden ist,

dass ferner dem zweiten Strom gleicherweise wie dem ersten Strom durch Abtastung mit einer bewegten Abtastscheibe im Bildfeld Frequenzen und Phasenlagen entsprechend der geometrischen Lage des Lichtpunktes bezüglich des Bildfeldes zugeordnet sind und dass ein Korrelator vorgesehen ist, dem die zwei derart erhaltenen Schwingungen zugeführt werden und dessen Korrelat zur Helligkeitssteuerung eines synchron mit dem Lichtpunkt im zweiten Kanal bewegten Lichtpunktes dient.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung im ersten Kanal isochron zur Abtastung im zweiten Kanal erfolgt.

3. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Einrichtung (11, 12, 13) vorgesehen ist, mit der ein Wärmebild spiralförmig abgetastet und auf einen Infrarotdetektor (14) geworfen wird, dass eine Kathodenstrahlröhre (20) vorgesehen ist, deren Elektronenstrahl synchron mit der genannten Abtastung geführt wird, dass die damit auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre (20) gezeichnete Spirale über eine Abtastscheibe (22) auf eine Photozelle (24) abgebildet wird und dass die Ströme aus dem Infrarotdetektor (14) und aus der Photozelle (24) in einem Korrelator (31) multipliziert werden und über ein Tiefpassfilter (32) und einen Begrenzer (33) einer weiteren Kathodenstrahlröhre (34) zur Helligkeitssteuerung des synchron zu den Abtastspiralen abgelenkten Elektronenstrahles gegeben werden.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastscheibe (22) eine stillstehende Punktrasterscheibe ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktrasterscheibe (22) in ihrem geometrischen Zentrum mit einer Zentrumsmarke (28) versehen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrelator ein Modulator ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters (32) veränderbar ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Grenzfrequenz stufenweise erfolgt und die Stufen Oktavschritte sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwelle des Begrenzers (33) einstellbar ist.

10. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Tiefpassfilter (32) und der Begrenzer (33) gemeinsam miteinander einstellbar gekoppelt sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastbewegung für das Wärmebild und die Einstellung der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters (32) synchron vor sich geht.

12. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Stromes im zweiten Kanal (2) durch eine Intensitätssteuerung des Elektronenstrahles der Kathodenstrahlröhre (20) im zweiten Kanal (2) durch das an die Steuerelektrode der Kathodenstrahlröhre geführte Korrelationssignal (c) eingestellt wird.