DE2051692A1

DE2051692A1 - Anordnung zur Kompensation der Ein wirkung der Hintergrundstrahlung auf die Bilddarstellung in einer Infrarot Kamera

Info

Publication number: DE2051692A1
Application number: DE19702051692
Authority: DE
Inventors: Bengt Henri Karlskoga Johansson (Schweden) M
Original assignee: Bofors AB
Current assignee: Saab Bofors AB
Priority date: 1969-10-29
Filing date: 1970-10-21
Publication date: 1971-06-24
Also published as: GB1329278A; JPS5027684B1; FR2065755B1; DE2051692B2; DE2051692C3; US3751586A; FR2065755A1; SE336682B

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. RICHARD GLAWE · DIPL-ING. KLAUS DELFS · DIPL-PHYS. DR. WALTER MOLL

MÖNCHEN HAMBURG MÖNCHEN

NEUE POSTANSCHRIFT

Γ "¹B MÖNCHEN 26

POSTFACH 37

NEW POSTAL ADDRESS

800O MOnchen 22 · Liebherrstraße 20 · Tel. (0811) 22Ä5 2000 Hamburg 52 · Waltzstraße 12 · Tel. (0411) 89 22

IHRE NACHRICHT VOM

J
UNSER ZEICHEN

A 15

MÖNCHEN

Aktiebolaget Bofors BOi¹OES / Schweden

Anordnung zur Kompensation der Einwirkung der Hintergrundstrahlung auf die Bilddarstellung in einer Infrarot-Kamera (IR-Karaera)

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Kompensation der Einwirkung der Hintergrundstrahlung auf die Bilddarstellung in einer IR-Kamera, wobei der Bildröhre ein in einem Detektor erzeugtes Videosignal zugeführt wird, in dem ein Bildsignal und ein in der Zeit "vom Bildsignal getrenntes Hinbergrundsignal periodisch auftreten.

In einer IR-Karaera kann eine rotierende Spiegeltrommel

— 1 —

1 Q 9 8 2 6 / U 9 1

mit einer gewissen Anzahl Seiten die horizontale Abtestfunktion übernehmen. Die Trommel lenkt dabei die einfallende Strahlung gegen einen wippenden Spiegel ab, der die vertikale Abtestfunktion bewirkt. Der wippende Spiegel kann seinerseits die Strahlung gegen einen Konkavspiegel reflektieren, der die Strahlung gegen einen Detektor fokussiert, der die einfallende Wärmestrahlung in ein elektrisches Videosignal verwandelt, wodurch dieses Signal demnach eine Information über die Temperatur des Objektes ent-

halten wird.

Ist die genannte Trommel beispielsweise sechsseitig, wird das Bildfeld bei einer Umdrehung der Trommel sechsmal abgesucht bzw. so viele Male, wie die Trommel Seiten hat, und wenn man ferner für die IR-Kamera ein Horizontallinienabtasten von 25° wünscht, soll die Trommel bei einer Linienabtastung um 12,5° gedreht werden. Daraus ergibt sich, daß die in frage stehende Trommelseite bei dem verbleibenden Teil ihrer totalen Drehung um 60° die Innenwand am Kameragehäuse abtasten wird. Daraus ergibt sich wiederum, daß das vom Detektor erhaltene Videosignal "linienperioden" enthalten wird, die jede einzelne ein Bildsignal und ein vom Bildsignal zeitmäßig getrenntes Hintergrundsignal enthält, und in dem gewählten Beispiel, das im übrigen sehr gut mit dem gegenwärtig in der Praxis ausgenützten Verhältnis übereinstimmt, wird das Hintergrundslgnal oa. 80 $> der "Periode"

_ 2 1 09826 /14 9 1

20516S2 3

auftreten, wohingegen das Bildsignal nur eine Dauer von ca. 20 $> hat.

Das Videosignal vom Detektor muß in der IR-Kamera verstärkt werden, und hierbei ist es zweckmäßig, einen Vorverstärker und einen nachgeschalteten Zwischenverstärker auszunützen, wobei man aus verschiedenen Gründen die Verstärker mit einer gemeinsamen Gleichspannungsrückkopplung versieht, so daß der Mittelwert des Videosignals am | Ausgang des Zwischenverstärkers konstant wird. Dadurch gibt der in der Kamera nach dem Start auftretende Temperaturanstieg die Veranlassung dazu, daß der Mittelwert des Bildsignals kleiner wird, da das Hintergrundsignal infolge des genannten Temperaturanstiegs größer wird, und die Einwirkung des Temperaturanstiegs auf den Mittelwert des Bildsignals wird beträchtlich dadurch, daß die Dauer des Hintergrundsignals die des Bildsignals um nicht weniger als fünfmal übersteigt, was bedeutet, daß auch ein geringer Temperaturanstieg eine große Einwirkung auf den Mit- " telwert des Bildsignals haben kann. Genannter Nachteil hat sich in einer solchen Weise geäußert, daß das auf der Bildröhre in der IR-Kamera erhaltene Bild einem Wandern ausgesetzt ist, oder anders ausgedruckt, daß die Temperatur eta» des abgebildeten Gegenstandes während der Erwärmungszelt des Kameragehäuses eoheinbar kleiner wird um einer? größeren oder kleineren Betrag, wobei die Erwärmungszeit ver-

109826/U91

hältnismäßig lang ist und sich oftmals über die ganze Anwendungszeit der Kamera bei der aktuellen Gelegenheit erstreckt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht

■■*■■■ , ■ ■

daher darin, dieses Wanderungsphänotnen zu vermindern, damit die Kamera auch während der Erwärmungszeit des Kameragehäuses mit der gleichen hohen Präzision arbeiten kann.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht im wesentlichen darin, daß ein kompensierendes Organ zum Abtasten des Videosignals während einer im. voraus festgelegten Zeitspanne in jeder Linienperiode oder Gruppe von Linienperioden angeordnet ist und in Abhängigkeit von dem abgetasteten Teil des Videosignals eine Größe erzeugt, die den Mittelwert des Bildsignals derart beeinflußt, daß dieser Mittelwert mehr oder weniger von einer Variation des Hintergrundsignals unabhängig wird. ,

Eine vorteilhafte Ausfuhrungsform der Erfindung wird im folgenden unter Hinweis auf die Zeichnungen näher besohrieben. Es zeigen:

Pig. 1 schetnatisch und in Draufsicht die Abtasteinrichtung in einer repräsentativen XR-Kamera,

Pig. 2 ein eoheraatißches Schaltbild für eine IR-Kamera

- 4 109826/H91

mit der erfindungsgemäßen Einrichtung; Pig. 3 schematisch eine Anordnung nach der Erfindung;

Pig. 4 ein Beispiel für ein vom Detektor erhaltenes Videosignal;

Pig. 5 eine allgemeine Verstärkerschaltung, die in der Anordnung nach Pig. 3 nutzbar ist;

die Figuren 6a und 6b in Diagrammform den Zusammenhang zwischen den Ein- und Ausgangssignalen für die Anordnung nach Pig. 3 und

Pig. 7 ein Beispiel für eine detaillierte Lösung der Kreissohaltung für die Anordnung nach Pig. 3.

Xn Pig. 1 wird mit der Bezugsziffer 1 eine teilweise eingezeichnete Wand eines Kameragehäuses dargestellt, dessen Raum mit 2 angegeben 1st. Im Raum ist eine sechsseitige verspiegelte Rotationstrommel 3 untergebracht, die durch eine öffnung 4 eine Horizontallinienabtastung von 25° vornehmen kann. Die vertikale Abtastfunktion erhält man mit einem wippenden Spiegel 3a, der die von der Trommel reflektierende Strahlung abtastet (siehe die Linien). Der wippende Spiegel reflektiert die Strahlung auf einen

10 9 8 2 6/149 1

20516S2 6

Konkavspiegel 5, der die Strahlung gegen einen Detektor fokussiert.

In Pig· 2 ist der genannte Detektor mit 7 bezeichnet und das vom Detektor erzeugte Videosignal wird in einem Vorverstärker 8 und in einem nachgesohalteten Verstärker 9 verstärkt, wobei die genannten beiden Verstärker mit einer Gleichspannungsrückkopplung L ausgestattet sind. Das mit ^ einem somit stabilisierten Mittelwert erhaltene Videosignal wird danach in die Anordnung nach der Erfindung eingegeben, die in Pig. 2 die allgemeine Bezeichnung 10 trägt. Die Bezugsziffer Ü1 bedeutet eine Bezugsspannung, während U2 einen Synohronisierungsimpuls angibt. An einem Ausgang 10b ist die Anordnung im vorliegenden Pail an einen TJmkehrer 11 und an einen Umschalter 12 angeschlossen) mit dem man die Möglichkeit hat, zwischen einem umgekehrten oder normalen Bild am Ausgang 13 zur Bildröhre zu wählen.

In Pig. 3 ist die in der Pig. 2 mit 10 bezeichnete Anordnung dargestellt, wobei der Eingang der Anordnung mit 10a angegeben ist und deren Ausgang mit 10b. In Pig. 3 hat ein kompensierendes Organ die Porm eines Integrators 14 und eines Kondensators C. Der Integrator tastet das Videosignal, das einen bestimmten Mittelwert haben kann, über ein Tor 15 während einer im voraus bestimmten Zeitspanne in jeder Linienperiode ab und erzeugt danach

109826/1491

20516S2

in Abhängigkeit von dem abgetasteten Seil des Videosignals eine Größe in Form einer Kompensationsspannung, die den Mittelwert des Bildsignals beeinfluß so daß dieser im großen und ganzen ein und dasselbe Niveau einnimmt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist genannte, im voraus festgelegte Zeitspanne so gewählt worden, daß sie gleich mit einer ersten Zeit (T-t) in der Linienperiode ist, während der das Hintergrundsignal auftritt. Der Integrator wird dabei dadurch zum Videosignal eingeschaltet, ä daß das Tor 15 von beispielsweise dem Liniensynchronisierimpuls (U2) in der IR-Kamera beeinflußt wird, so daß das Tor während der Zeit t nach dem Liniensynchronisierimpuls offen ist. Die im Integrator erzeugte Größe besteht aus einer Kompensationsspannung, die eine geeignete Größe und Polarität aufweist und die am Ausgang des Integrators auftritt. Die Kompensationsspannung wird in einen breitbandigen Videoverstärker 16 geleitet, der darüber hinaus über eine Verbindung 17 das ganze Videosignal kontinuierlich abtastet. Die Kompensationsspannung wird demnach dem zur " Anordnung einkommenden Videosignal aufgedrückt, so daß das am Ausgang 10b erhaltene Videosignal vorstehend genannte Eigenschaften aufweist.

In Pig. 4 ist eine Linienperiode im Videosignal mit T gezeigt, und ee geht ferner daraus hervor, daß genannte Periode zusammengesetzt ist aus einem Hintergrundsignal eb, das während der Zeit (T-t) dauert, und einem

1 0 9 8 2 6 / H 9 1

20516ΡΣ

Bildsignal ea_y das eine Dauer der Zeit t hat.

Die Mittelwerte für das Videosignal (E), Bildsignal (Ea) und Hintergrundsignal (Eb) können mithin geschrieben werden:

| / e.dt;

Ea « ^ / ea'dt; Eb = 1 / eb.dt.

x—t

T t T-t

Dabei erhält man folgende Gleichung, die allgemein für die Eingangs- und Ausgangssignale gültig ist.

Ea.t + Eb.(T-t) = ET (1)

In weiteren haben Eingangesignale und -spannungen den Index 1, wohingegen Signalen und Spannungen am Ausgang der Index 2 gegeben ist.

Aus Fig· 5 geht eine allgemeine Verstärkerschaltung hervor, die einen Verstärker 18 aufweist, der mit drei Widerständen R gekoppelt ist. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers let sehr viel größer als 1.. Das einkommende Videosignal ist mit el angegeben und das ausgehende mit e2, wohingegen eine Kompensationsspannung mit Ek bezeichnet 1st. Die Eompensationsspannung ist eine Gleiohspannung, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Funktion der Hintergrundstrahlung (Eb1) ist. Für Fig. 5 kann folgende Gleichung geschrieben werden:

- 8 109826/ 1491

20516S2

θ2 = -el - Ek (2)

Integriert man diese Gleichung über die Zeiten ü-t, t und T erhält man für die Zeit

T-t; Eb2 = -Eb1 - Ek
t; Ea2 = -Ea1 - Ek
I; E2 = -E1 - Ek (3)

Der Verstärker nach Pig. 5 kann jetzt mit dem Videoverstärker 16 gem. Pig. 3 verglichen werden, wobei man den Zusammenhang zwischen Ek und Eb1 wie folgt ausdrücken kann:

Ek = —K1 · Ea1 + K2»ER (4)

wo Ek eine Punktion von Ea 1 ist, das wiederum von der Grleichung (1) gegeben ist. ER ist eine gewählte Grleichspannung sowie K1 und £2 Konstanten, die untereinander so zu wählen sind, daß - wenn die YMittelwerte für das Bildsignal und das Hintergrundsignal während der Zeiten t bzw« T-t gleich sind - das ausgehende Videosignal immer einen im voraus bestimmten Wert erhält, beispielsweise E2O. Oder mathematisch ausgedrückt:

Wenn Ea 1 = Eb1 « E1 ist, dann soll Ea2 => Eb2 =. E2 = E2O sein Wenn diese Bedingung in die Gleichungen (3) und (4) wie

-ω Q *m

10 9 8 2 6/1491

vorstehend eingesetzt wird, erhält man, daß

E2 a «20 a -El - Ek und Ek =s -K1«E1 + K2»ER ist,

was serlnerseits ergibt

K2«ER = -E2O - EL(I-KI) (5)

mit (2), (4) und (5) erhält man

e2 - -el + K1.Ea1 + E20 + E1(1-K1) (6)

Wenn man dann die erhaltene Gleichung (6) näher betrachtet, Btellt man bei voller Kompensation, wenn K1 = 1 ist, fest, daß die in Präge stehende Gleichung reduziert wird auf:

e2 a -el + Ea1 + E20,

woraus der Mittelwert des Bildsignals erhalten werden kann, Ea2 a -Ea1 + Ea1 + E20 a E2O,

was zeigt, daß der Hittelwert des Bildes unabhängig vom Hittelwert des EingangsSignaIs konstant auf E20 liegt. Der Mittelwert des Videosignals wird E2 a E20 + (Ea1 - E1).

In den Figuren 6a und 6b ist der Zusammenhang zwischen den Eingangs- und Ausgangsspannungen, die in den Gleichungen wie vorstehend enthalten sind, in Diagrammform angegeben. Aus Fig. 6b geht u.a. hervor, wie der Hittelwert der Bildsignale das im voraus bestimmte Niveau E20 einnimmt. Ferner geht aus den genannten zwei Figuren hervor, daß die Signale umgekehrt werden.

- 10 -

109826/ U91

In Fig. 7 ist ein detailliertes AusführungsbeiBpiel dafür gezeigt, wie die Anordnung nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut sein kann« Der Integrator ist hier mit 19 und 02 bezeichnet, wohingegen der breitbandige Videoverstärker mit 20 benannt 1st, und ferner ist ein Utnkehrer 21, 26 und 27 zwischen den Integrator und Videoverstärker geschaltet·. Ein erster Sohalter S1 ist während der ersten Zelt (T-t) geöffnet, wenn das Videosignal el = eb1 (= Hintergrundsignal) ist, und während der zweiten Zelt t geschlossen, wenn el = ea1 (= Bildsignal) ist, ™ Ein zweiter Sohalter S2 ist während der zweiten Zelt t offen und während der ersten Zeit X-t geschlossen· Der erste und der zweite Sohalter S1 bzw, S2 können zweok-Tnäfiigerweise elektronisch sein und aus Halbleitern usw« bestehen.

Der erste Sohalter ist dabei über einen Widerstand 22 an das einkomnende Videosignal und über einen Widerstand 23 an den Integrator angeschlossen· Der Integrator | ist über die Gegensohaltwiderstände 24 und 25 an den Schalter S2 angeschlossen, wobei die Widerstände 22 -den gleichen Wert, R1, aufweisen. Der Integrator ist welter an den Unkehrer angeschlossen, der aus den Widerständen 26 und 27 und den Verstärker 21 besteht. Die beiden Widerstände 26 und 27 weisen einen Wert R5 auf« Der breitbandige Videoverstärker 20 tastet einerseits über einen

- 11 -

109826/U91

Widerstand 28 der Größe R3 die Eompeasatioasepaanung vom Integrator ab und andererseits das einkommende Videosignal el, dessen Mittelwert über einen Widerstand 29 der Größe R2 mit einem Kondensator C1 auf Null eingestellt worden ist, bzw. falls man wünscht, daß der Mittelwert für das ausgehende Bildsignal von Null verschieden sein soll, über einen Widerstand 30 der Größe R4 eine Bezugsspannung ER2 einer im voraus bestimmten Größe, wobei der Videoverstärker mit einem Widerstand 31 der Größe R2 gegengeschaltet ist.

Für die Schaltung gemäß der Pig. 7 gilt, daß e2 = -el + ff Ea1 - §| ER2 + E1(1- §|) (7) was identisch mit der Gleichung (6) ist, wenn τη ^²
^{K1 =} R?

E20 — H ER2.

Damit man mit dem Kreis nach Pig. 7 eine volle Kompensa tion erhält, 1st gefordert, daß

R2 - R3 (K1 - 1) ■

und die Gleichung (7) wird dann reduziert auf

e2 = -el + Ba1 - H ER2 (8)

Der Mittelwert des Bildsignale wird aus (8) erhalten:

- 12 -

1 09826/ U91

20516S2 /3

Ea2 = -Ea1 + Ea1 - Sf ^¹¹² = - T5T ER2

d.h. konstant und unabhängig vom Hintergrundsignal eb1.

Die Erfindung ist nicht auf die als Beispiel gezeigte Ausführungsform begrenzt, sondern kann Abänderungen unterworfen werden. Es ist z.B. möglich, die im voraus festgelegte Zeitspanne gleich der zweiten Zeit t anstelle der ersten Zeit T-t auszubilden. Ferner ist es nicht notwendig, ä das Videosignal in jeder Linienperiode abzutasten, sondern man kann sich damit begnügen, es einmal für eine gewisse Gruppe Linienperioden abzutasten, oder umgekehrt, eine Gruppe Linienperioden, beispielsweise eine solche Gruppe Linienperioden, die in einem Bild enthalten ist, kann ein oder mehrere Male abgetastet werden und dabei während der im voraus festgelegten Zeitspanne jedes Mal. Um dieses zu erreichen, ist unter anderem eine, im Vergleich mit Pig. 7 verschiedene, aber ebenfalls bekannte Toranordnung erforderlich. Wie dem vorstehenden zu entnehmen ist, kann man ferner sehr einfach den Kompensationsgrad beliebig zwischen Null und einem Maximalwert wählen, wobei durchaus Werte über 1 gewählt werden können, wobei 1 der vollen Kompensation entspricht.

- 13 1 09826/ U91

Claims

20516^2

Patentansprüche

Γΐ,) Anordnung zur Kompensation der Einwirkung der Hintergrundstrahlung auf die Bilddarstellung in einer Infrarot-Kamera (IR-Eamera), wobei der Bildröhre ein in einem Detektor erzeugtes Videosignal zugeführt wird, in dem ein Bildsignal und ein in zeitlich vom Bildsignal getrenntes Hintergrundsignal periodisch auftreten, dadurch gekennzeichnet, daß ein kompensierendes Organ zum Abtasten des Videosignals während einer im voraus bestimmten Zeitspanne in Jeder Linienperiode oder Gruppe von Linienperioden vorgesehen ist und in Abhängigkeit von dem abgetasteten Teil des Videosignals eine Größe erzeugt, die den Mittelwert des Bildsignals derart beeinflußt, daß dieses mehr oder weniger von einer Variation im Hintergrundsignal unabhängig ist.
2. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch g ekennzeichnet, daß die erzeugte Größe den genannten Mittelwert beeinflußt, so daß dieser ein im wesentlichen konstantes Niveau einnimmt.
3. Anordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im voraus bestimmte

- 1 - On.iGiNAL iNSFECTED

109826/1491

Zeitspanne gleich einer ersten Zeit (T-t) in der Linienperiode des Videosignals ist, in welcher das Hintergrundsignal auftritt.
4· Anordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im voraus bestimmte Zeitspanne gleich einer zweiten Zeit (t) in der Linienperiode des Videosignals ist, in welcher das Bildsignal auftritt.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das kompensierende Organ einen Integrator (14 und G) enthält, der bei jeder im voraus bestimmten Zeitspanne über ein Tor (15) an das Videosignal angeschlossen wird.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vom kompensierenden Organ erzeugte Größe einem Video- " verstärker (16) zugeführt wird, der auch das Videosignal abtastet, und daß der Ausgang (1Ob) des Videoverstärkers an die Bildröhre angeschlossen 1st«

- 2 109826/U91

Leerseite