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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen von Differenzbildern
bei periodischer Bildabtastung und -wiedergabe mittels elektromagnetischer Strahlen.
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Bei periodisch wiederkehrenden sich ähnelnden Bildern ist an sich
nicht der ganze Bildinhalt von Interesse, sondern nur die Änderung des Bildinhaltes
im Vergleich zu dem vorhergehenden Bild, z. B. beim Moving-Target-Indicator in der
Radartechnik.
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Auch bei der Ubertragung von Fernsehbildern wird ein Teil des Informationsgehaltes
dazu benötigt, den unverändert periodisch wiederkehrenden Teil des Bildinhaltes
neben der neuen Information mit zu übertragen. Auf diese Weise wird ein großer Uberschuß
an unnützer, da bekannter Information mit übertragen. Die Ubertragungsbandbreite
läßt sich jedoch dadurch vermindern, daß nur die jeweils neue Information des neuen
Bildes übertragen wird, die aus der Differenz von zwei aufeinanderfolgenden Bildern
abgeleitet wird.
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Es ist ferner eine digitale Lichtablenkung bekannt, bei der ein Lichtstrahl
in Stufen ablenkbar ist, so daß ein Raster von Lichtpunkten erzeugt werden kann.
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Die neue Vorrichtung ist nun dadurch gekennzeichnet, daß ein modulierbarer,
an sich bekannter, digitaler, ein Bildpunktraster auf einer photoempfindlichen Schicht
erzeugender Laser-Strahlablenker an die Koordinatenwerte des Laserstrahls abzählende
Koinzidenzstufen angeschlossen ist, die außerdem von einer hinter der photoempfindlichen
Schicht angebrachten dielektrischen Schicht abgeleitete Signalspannungen aufnehmen
und nur Signale bei einer Differenz zeitlich nacheinander an derselben Stelle der
photoelektrischen Schicht erzeugter Bildpunkte abgeben.
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Bei der Rasterung nach der Erfindung wird das ganze Bild erfaßt und
nicht nur ausgewählte Bezugspunkte, und zwar ohne Synchronisierungsschwierigkeiten,
denn man braucht nur die abgezählten unterschiedlichen Stellen (Punkte) zu beachten,
deren Synchronisierung wesentlich einfacher ist als die Synchronisierung der impulsartig
herausgeschnittenen Amplitudenwerte bei den Wellenzügen der bekannten Differenzbilderzeugung.
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Mit Hilfe der Vorrichtung nach der Erfindung können z. B. bewegliche
Objekte auf Radarbildern ausgemacht werden, da sich der Ort des Reflexes von Bildperiode
zu Bildperiode ändert. Wenn am Ausgang eines solchen Differenzbildspeichers ein
Signal entsteht, so kann es nur von dem Reflex eines beweglichen Objektes stammen.
Man kann daher automatisch dessen Ort bestimmen, wenn man die digitale Ablenkzahl
des Laser-Strahlablenkers in x-und y-Richtung bestimmt, bei der das Differenzsignal
aufgetreten ist. Außerdem kann man den Kurs und die Geschwindigkeit des Objektes
berechnen. Dazu brauchen nur die digitalen Ablenkzahlen eines Objektes in zwei aufeinanderfolgenden
Bildern voneinander subtrahiert zu werden. Der besondere Vorteil der Erfindung besteht
darin, daß die Standortinformation aus der Bildinformation sofort in digitaler Form
entnommen werden kann. Hierdurch bleibt der Umweg über analoge Datenverarbeitung
erspart, der Rechenaufwand wird vermindert, und die Rechengeschwindigkeit wird erhöht.
Systeme dieser Art können z. B. bei der Flughafenüberwachung von Bedeutung sein.
An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es
zeigt F i g. 1 ein Prinzipschaltbild; F i g. 2 dient zur Erläuterung des digitalen
Lichtablenkers, und F i g. 3 zeigt -einen schematischen Aufbau des Differenzbildspeichers.
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Nach F i g. 1 wird mittels eines Lasers n ein kontinuierlicher Lichtstrahl
L erzeugt, der in einem Modulator b mit dem Videosignal eines Radarempfängers moduliert
wird. In einem digitalen Lichtablenker c wird der Laserstrahl L;' in Form eines
Zeilenrasters (r, h) abgelenkt.
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Ein solcher Laser- Lichtablenker besteht nach F i g. 2 aus einer Laser-Lichtquelle
1, deren kollimierter mittels P polarisierter Lichtstrahl G' auf einen Polarisationsschalter
K,, z. B. eine Kerrzelle, fällt, der es gestattet, den Polarisationszustand des
einfallenden Strahls um 90' zu ändern, so daß das nachfolgende Prisma P, aus doppelbrechendem
Material entweder den nach der einen Seite etwas abgelenkten ordentliche, Strahl
0' oder den nach der anderen Seite etwas abgelenkten außerordentlichen Strahl
a' liefert. Jeder dieser beiden Strahlen wird entsprechend wieder von einem Polarisationsschalter
KZ aufgenommen und einem weiteren Prisma M zugeführt, so daß nunmehr in Abhängigkeit
des Zustandes der Polarisationsschalter vier unterschiedliche Strahlrichtungen möglich
sind.
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An die als Polarisationsschalter dienenden Keazellen KI .. . K,, sind
dabei entsprechende Spannungen mittels eines steuerbaren Generators G anzulegen.
Der Laser-Lichtstrahl verzweigt sich sozusagen kaskadenartig, und bei neun Kerrzellenanordnungen
mit doppeltbrechenden Prismen z. B. sind 29 diskrete Lagen des Laserstrahls längs
einer horizontalen oder vertikalen Linie h bzw. r möglich. Für zweidimensionale
Laser-Lichtablenkungen benötigt man je eine Serie von Kerrzellenanordnungen mit
doppeltbrechenden Prismen für die horizontale und vertikale Auslenkung, von denen,
wie aus F i g. 2 ersichtlich, auch je ein horizontales und vertikales Ablenkelement
hintereinandergeschaltet sein kann.
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Der Ubersicht halber wird angenommen, daß das mit dem in F i g. 1
beschriebenen Ausführungsbeispiel erzeugte Zeilenraster aus 16 Bildpunkten pro Zeile
und 16 Zeilen besteht.
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Auf einem von den abgelenkten Strahlen h und v
beaufschlagten
Differenzbildspeicher z1 wird nun das Radarbild abgebildet.
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Der Differenzbildspeicher besteht nach F i g. 3 aus folgenden Schichten:
einer durchsichtig leitenden Schicht Sch", einer photoleitenden Schicht Sch," einem
Dielektrikum Sch, und einer leitenden Schicht Sch,,.
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In Ruhe ist die Spannungsverteilung über die Schicht Sch,, entsprechend
der Kapazität der einzelnen Teilschichten
wobei also d, die Dicke der Schicht Sch," d2 die Dicke der Schicht Sch,.,
F,, F2 die entsprechenden Dielektrizitätskonstanten der Schichten sind, während
U" die an die Schicht Sch" gegen Masse angelegte Spannung bedeutet.
Durch
den Laserstrahl 1:' bzw. v, h wird das photoleitende Material im Bereich t leitend,
wobei die Ladung über den Eingangswiderstand R eines Verstärkers abfließt. Die im
photoleitenden Material der Schicht Sch,, induzierten freien Ladungsträger verschwinden
mit einer Zeitkonstante, welche länger als die Periode des geschriebenen Bildes
ist. Wenn der Laserstrahl erneut die bereits belichtete Stelle trifft, erfolgt kehr
Ladungsabtransport, weil sich die Grenzfläche g noch auf dem Potential Uo befindet.
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Durch die entsprechende Wahl des Verhältnisses von Zeitkonstante des
Photoleiters zur Bildperiode können feste Objekte als geschwächtes Signal markiert
werden. Das Differenzsignal k°_inn auch auf einem gewöhnlichen Bildschirm wiedergegeben
werden.
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Nach F i g. 1 werden dein Differ:rizignal, das am Ausgang des Differenzbildpeichers
d abgenommen werden kann, wenn sich ein Objekt im Radarbereich bewegt, über einen
Verstärker e Koinzidenzstufen K", und KSr2 zugeführt. Die Koinzidenzstufen Ks" und
KS12 können aus Zählregistern beispielsweise mit bistabilen Kippstufen bestehen,
die die Stellungen der Schalter K, . . . (F i g. 1) der Reihe nach abzählen. Wenn
z. B. der 1-, 2-,4-,8-Kode gewählt wird, können 1 C> diskrete Stellungen je Ordinate
mit je vier Kippelementen markiert werden. Die Ausgänge der Zählregister liegen
an einer Und-Schaltung, der andere Eingang ist über den Verstärker e an den Differenzbildspeicher
d angeschlossen. Nur wenn der Differenzbildspeicher d an den vom allgelenkten
Strahl v bzw. h getroffenen Stellen ein Signal abgibt, erfolgt eine Signalabgabe
der Koinzidenzstufen, und zwar als Zählwerte.
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Während der Ablenkung des Lichtstrahls werden also den Koinzidenzstufen
ständig die digitalen Ablenkzahlen für die x- und y-Richtung zugeführt, wobei sie
sich in der x-Richtung gemäß dem gewählten Ausführungsbeispiel in der Periode der
Zeilenfrequenz und in y-Richtung in der Periode der Bildfrequenz wiederholen. Wenn
die Koinzidenzstufe Ks" die Zahl p aus G, für die x-Richtung empfängt und die Koinzidenzstufe
KS,2 die Zahl g aus G2 für die y-Richtung, so steht der Laserstrahl im gleichen
Augenblick auf dem p-ten Bildpunkt der y-ten Zeile des Zeilenrasters. Die Koinzidenzstufen
geben innerhalb der gesamten Zahlenfolge nur an denjenigen Koordinatenstellen bzw.
Zahlenpaaren Signale ab, wenn gleichzeitig ein Impuls aus dem Differenzbildspeicher
d empfangen wird. Dieses Zahlenpaar gibt somit den Standort des beweglichen Objektes
in x- und y-Koordinaten an.
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Aus der Änderung der Standortzahlen x" und y" kann Kurs und Geschwindigkeit
des Objektes berechnet werden. Dazu werden die beiden Zahlen getrennt in Substraktionsregister
S bzw. S' gegeben. In diesen Substraktionsregistern ist das Ablenkzahlenpaar .x"_,,
y"_, der vorigen Bildperiode gespeichert. Es wird die Differenz x"-x", und y"-y",
gebildet, während gleichzeitig das neue Zahlenpaar x", y", gespeichert wird. Die
Differenzen x"-x"_, und y"-y"-r sind ein direktes Maß für die x- und y-Komponente
des Geschwindigkeitsvektors, da der Abbildungsmaßstab und die Bildperiode konstant
sind.
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Zur Berechnung von Kurs und Gerchwindigkeit müssen noch mittels an
sich bekannter Rechner R, R' die Ausdrücke
für die Geschwindigkeit und
für den Kurs gebildet werden.
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Ein Radarbild besitzt von Natur aus eine Polarkoordinatenablenkung.
Deshalb ist es notwendig, vor Anwendung der automatischen Geschwindigkeits-und Kursberechnung
eine Umsetzung von Polarkoordinatenablenkung auf Zeilenrasterlenkung vorzunehmen.
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Man kann aber auch die Polarkoordinatenablenkung direkt auf den digitalen
Lichtablenker anwenden. Hierbei benötigt man nur eine Ablenkung in einer Richtung.
Die Drehung übernimmt der Differenzbildspeicher, wobei Synchronismus zur Drehung
der Radarantenne besteht. Der Standort wird bei dieser Anordnung in Polarkoordinaten
angegeben, und zwar der Abstand vom Radarsender digital und die Richtung in bezug
zum Radarsender analog. In Anwendungsfällen, bei denen nur der Abstand vom Radarsender
und die zentrale Bewegung auszuwerten ist, bringt dieser Aufbau eine Vereinfachung,
da die Ablenkungswandlung wegfällt. Wenn jedoch Absolutgeschwindigkeiten und Kurse
berechnet werden müssen, erfordert dieser Aufbau einen größeren Rechenaufwand. Bei
der Anwendung des Kurs- und Geschwindigkeitsrechners auf Fahrzeugen mit Eigengeschwindigkeit
benötigt man eine Mittelpunktsunterdrückung zur Eliminierung der Eigengeschwindigkeit.
Dies kann man mit einem zweiten Rechner erreichen, in den Kurs und Geschwindigkeit
des Bezugspunktes eingegeben werden. In dem Rechner muß die Translation pro Bildperiode
in Digitalzahlen errechnet werden. Diese Translationszahlen werden dein Digitalablenker
zugeführt und bewirken eine Verschiebung des gesamten Radarbildes in der Weise,
daß das Panorama der festen Reflexe auch auf dem Bildschirm feststeht. Auf diese
Weise wird erreicht, daß im Differenzbildspeicher nur Absolutgeschwindigkeiten signalisiert
werden.
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Zur Bandbreitenkompression kann der Differenzbildspeicher nach F i
g. 1 ebenfalls benutzt werden, jedoch ohne die Subtraktionsregister und die Spannungsrechner.
Das zu übertragende Signal besteht hierbei nur aus dem Differenzsignal und dem zugehörigen
Ablenkkode. Für den digitalen Ablenkkode benötigt man pro Ablenkziffer 'log
N Bits, wobei N
die Anzahl der Bildpunkte des ganzen Bildes ist. Für
ein Fernsehbild mit etwa 500 Bildpunkten pro Zeile und etwa 500 Zeilen benötigt
man pro Bildpunkt 18 Bits für die Ubertragung des Ablenkungskodes. Es ließe sich
demnach eine Bandbreitenkompression erreichen, wenn sich von Bild zu Bild weniger
als der Gesamtbildinformation ändert. Außer bei Szenenwechsel wird jedoch eine derart
drastische Bildänderung selten erreicht.