DE2051692B2

DE2051692B2 - Anordnung zur kompensation der einwirkung der hintergrundstrahlung auf die bilddarstellung in einer infrarot-kamera

Info

Publication number: DE2051692B2
Application number: DE19702051692
Authority: DE
Inventors: Bengt Henri Karlskoga Johansson (Schweden)
Original assignee: Bofors AB
Current assignee: Saab Bofors AB
Priority date: 1969-10-29
Filing date: 1970-10-21
Publication date: 1973-04-05
Also published as: GB1329278A; JPS5027684B1; FR2065755B1; DE2051692C3; DE2051692A1; US3751586A; FR2065755A1; SE336682B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich a^rf eine An-Ordnung zur Kompensation der Einwirkung der Hintergrundstrahlung auf die Büddarstelliing in einet Infrarot-Kamera (IR-Kamera), wobei der Bildwiedergaberöhre ein in einem Detektor erzeugtes Videosignal zugeführt wird, in dem ein Bildsignal und ein zeitlich vom Bildsignal getrenntes Hintergrundsignal periodisch auftreten.

In einer IR-Kamera kann eine rotierende Spiegeltrommel mit einer gesvissen Anzahl Seilen die horizontale Abtastfunktion übernehmen. Die Trommel lenkt dabei die einfallende Strahlung gegen einen wippenden Spiegel ab, der die vertikale Abtastfunktion bewirkt. Der wippende Spiegel kann seinerseits die Strahlung gegen einen Konkavspiegel teiicuiieren, de die Strahlung gegen einen Detektor fokussiert, der die einfallende Wärmestrahlung in ein elektrisches Videosignal verwandelt, wodurch dieses Signal demnach eine Information über die Te.nperaturverteilung des Objektes enthalten 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 eine Horizontalabtastung von 25^; wünscht, soll die Trommel pro Zeilenabtastung urn 12,5 gedreht werden. Daraus ergibt sich, daß die in Frage stehende Trommelseite bei dem verbleibenden Teil ihrer toalen Drehung um 60' die innenwand am Kameragehäuse abtasten wird. Daraus ergibt sich wiederum, daß das vom Detektor erhaltene Videosignal »Zeilenperioden« enthalten wird, von denen jede einzelne ein Bildsignal und ein vom Bildsigna! zeitmäßig getrenntes Hintergrundsignal enthält, und in dem gewählten Beispiel, das im übrigen sehr gut mit dem gegenv\artig in der Praxis ausgenutzten Verhältnis übereinstimmt, wird dai Hintergrundsignal während etwa 80% der »Periode« auftreten, wohingegen das Bildsignal nur eine Dauer von etwa 20% hat.

Das Videosignal vom Detektor muß in der JR-Knmera verstärkt werden, und hierbei ist es zweckmäßig, einen Vorverstärker und einen nachgeschalteten Zwiscnenverstärker auszunutzen, 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 iviittelwert des Bildsignals kleiner wird, da das Hintcrgrundsignal infolge deb genannten Temperaturanstiegs größer wird, und die Einwirkung des Temperaturanstiegs auf den Mittelwert des Biidsignais wird beträchtlich dadurch, dai.¹ die Dauer des Hintergrundsignals die des Bildsignal' um nicht weniger als fünfmal übersteigt, was bedeutet daß auch ein geringer Temperaturanstieg eine große Einwirkung auf den Mittelwert des Biidsignais 'naher kann. Genannter Nachteil hat sich in einer solcher Weise geäußert, daß das auf der Bildröhre in der IR Kamera erhaltene Bild einem Wandern ausgesetzt ist ouer anders ausgedrückt, daß die Temperatur des ab gebildeten Gegenstandes während der Erwärmungs zeit des Kameragehäuse* scheinbar um einen größerei oder kleineren Betrag kleiner wird, wobei die Er wärmungszeit verhältnismäßig lang ist und sich oft mais über die ganze Anwendungszeit der Kamera be der aktuellen Gelegenheit erstreckt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe be steht daher darin, dieses Wanderungsphänomen zi vermindern, damit die Kamera auch während der Er wärmungszeit des Kameragehäuses mit der gleichei hohen Präzision arbeiten kann.

D'i* eiTindungsgemäße Lösung besteht im wescnt liehen darin, daß ein kompensierendes Organ zum Ah tasten des Videosignals wöhrend einer im voraus fest gelegten Zeitspanne in jeder Zcilcnperiode odcrGrupp von Zeilenperioden angeordnet ist und in Abhängig keil vom Augenblickswert des abgetasteten Teils de Videosignals eine Größe erzeugt, die den Mittclwe: des Bildsignals derart beeinflußt, daß dieser Mitte wert mehr oder weniger von einer Variation des Hir tergrundsignals unabhängig wird.

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rine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung synchronimpuls offen ist. Die im Integrator erzeugte

Mi-ci im folgenden unter Hinweis auf die Zeichnungen Größe besteht aus einer Koiiipensationsspannung, die

!Ü'ner beschrieben. Es zeigt eine geeignete Größe und Polarität aufweist und die

!■"ig. 1 schematisch und in Draufsicht die Abtasi- am Ausgang des Integrators auftritt. Die Kompensa-

:imichtung in einer repräsentativen 1R-Kamera, 5 tionsspannung wird "in einen breitbandigen V^deo-

i-'i g. 2 ein schematisches Schaltbild für eine IR- verstärker logeleitet, der darüber hinaus über eine

K imera mit v'.er erfindungsgemäßen Einrichtung, Verbindung 17 das ganze Videosignal kontinuierlich

i i g. 3 schematisch eine Anordnung nach der Er- erhält. Die Kompensationsspannung wird demnach

lindung, dem zur Anordnung einkommenden Videosignal auf-

! ig.4 ein Beispiel für ein vom Detektor erhaltenes io gedrückt, so daß das am Ausgang 10/; erhaltene Vi-

\ Kieosignal, deosignal vorstehend genannte Eigenschaften aiif-

: i g. 5 eine allgemeine Verstärkerschaltung, die in weist.

de- Anordnung nach F i g. 3 nutzbar ist, I_n F i g. 4 ist eine Zeilenperiode im Videosignal mit

; i g. 6a und 6b in Diagrammform den Zusammen- T bezeichnet, und es geht ferner daraus hervor, daß

h..:^ zwischen den Ein- und Ausgangssignalen für die 15 diese Periode zusammengesetzt ist aus einem Hinter-

A: r^nung nach F i g. 3 und grundsignal eb, das während der Zeit (T-- /) auftritt,

i 'j. 7 ein Beispiel für eine detaillierte Lösung der und einem Bildsignal ca, das eine Dauer der Zeit /

K^:einschaltung für die Anordnung nach F i g. 3. hat.

:;: ! i g. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 iine teilweise Die Mittelwerte für das Videosignal E. Bildsignal Eu

einzeichnete Wand eines Kameragehäuse« darge- 20 und Hintergrundsignal Eb können mithin ueschrie-

Si"--*it. dessen Innenraum mit 2 angegeben ist. In die- ben werden:
sein kaum ist eine sechsseitige verspiegelte Rotations-

ti.Miiiiiel 3 untergebracht, die durch eine Öffnung4 ^ _ ¹I _t.. <j/.

eine i lorizontalzeilenabtastung von 25 vornehmen T I

k:!i;ii. Hie vertikale Abtastfunktion erhält man mit 25 ^T

ti- t-ns wippenden Spiegel 3a, der die von der Troin- \

n;i! reflektierte Strahlung abtastet (s. die Linien). Ea y j

Vk ν wippende Spiegel reflektiert die Strahlung auf ·'
eiiK'i". konkavspiegel 5. der die Strahlung gegen einen

Direktor 6 fokussiert. 30 Fb--- " leb-di

" j

Fbii I- i g. 2 ist der genannte Detektor mit 7 bezeich- " 7* _r j

nc·, und das vom Detektor erzeugte Videosignal wird f-t
in einem Vorverstärker 8 und in einem nachgeschalle-

len Verstärker 9 verstärkt, wobei die genannten beiden Dabei erhält man folgende Gleichung, die allge-

\ erstärker mit einer Gleichspannungsrückkopplung / 35 mein für die Eingangs- und AusgaiigssiL.iale gültig ist.

ausgestattet sind. Das mit einem somit stabilisierten Ea-ι - Eb-(T- t) - ET (\)
Mittelwert erhaltene Videosignal wird danach in die

Anordnung nach der Erfindung eingegeben, die in Im weiteren haben Eingangssignale und -spannun-I i g. 2 die allgemeine Bezeichnung 10 trägt. Die Be- gen den Index 1, wohingegen Signalen und Spannanzugsziffer Ul bedeutet eine Bezugsspannung, während 40 gen am Ausgang der Index 2 gegeben ist.
Γ2 einrn Synchronimpuls angibt. An einem Ausgang Aus F i g. 5 geht eine allgemeine V'erstärkersehal-1(1/? ist die Anordnung im vorliegenden Fall an eine tung hervor, die einen Verstärker 18 aufweist, der mit Umkehrstufe 11 und an einen Umschalter 12 an- drei Widerständen R gekoppelt ist. Der Verstärk aufgeschlossen, mit dem man die Möglichkeit hat. zwi- faktor des Verstärkers ist sehr viel größer als 1. löschen einem umgekehrten oder normalen Bild am Aus- 45 einkommende Videosignal ist mit e\ angegeben im·- «ang 13 zur Bildröhre zu wählen. das ausgehende mit el, wohingegen eine Kompciisa-In F i g. 3 ist die in der F i g. 2 mit 10 bezeichnete tionsspannung mit Ek bezeichnet ist. Die Kompensa-Anordiiung dargestellt, wobei der Eingang der An- tionsspannung ist eine Gleichspannung, die im vorordiiung mit 10a angegeben ist und deren Ausgant. liegenden Ausführungsbeispiel eine Funktion der mit 10Λ. In F i g. 3 hat ein kompensierendes Organ 50 Hintcrgrundstrahlung EbI ist. Für F i g. 5 kann foldie Form eines Integrators 14 und eines Kondensa- sende Gleichung geschrieben werden:
tors C. Der Integrator tastet das Videosignal, das einen ₍,₂ .__c,j _ ££. (2)
bestimmten Mittelwert hab- kann, über ein Tor 15

während einer im voraus L-stiinmten Zeitspanne in Integric-. man diese Gleichung über die Zeiten

jeder Zeilenperiodc ab und erzeugt danach in Abhän- 55 '/'-■ /, / und Γ erhält man für die Zeit
giekeit vom Augenblickswert des abgetasteten Teils

des Videosignals eine Größe in Form einer Kompen- ^r~~ ''· '^{)2 ;} '" ^/-'⁾' " '-'^v'

sationsspannung, die den Mittelwert des Bildsignals be- t; Ea2 ImX Ek,

einflußt, so daß dieser im großen und ganzen ein und j-_ F.2 EX Ek. (3)
dasselbe Niveau einnimmt. Im vorliegenden Ausfüh- 60

rungsbeispiel ist r^1;e genannte, im voraus festgelegte Der Verstärker nach F i g. 5 kann jetzt mit dem

Zeitspanne so gewählt worden, daß sie der ersten Videoverstärker 16 gemäß F i g. 3 verglichen wcr-

Zeit (T- t) in der Zeilenperiode entspricht, während den, wobei man den Zusammenhang zwischen Ek

der das Flintergruodsignal auftritt. Der Integrator und EbX wie folgt.ausdrücken kann:

wird dabei dadurch zum Videosignal eingeschaltet, 65 r 1 ■ a? in ,4,

daß das Tor 15 von beispielsweise dem Zeilensyn- Lk ■--= -κ\ · un μ-γ.κ. (-4)

chronimpuls Ul in der IR-Kamera beeinflußt wird, so wo Ek eine Funktion von £al ist, das wiederum von

daß das Tor während der Zeit/ nach dem Zeilen- der Gleichung (1) gegeben ist. ER ist eine gewählte

Gleichspannung sowie Kl und Kl Konstanten, die untereinander so zu wählen sind, daß — wenn die Mittelwerte 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 £20, oder mathematisch ausgedrückt:
Wenn

EaI = EbI = £1 ist, dann soll

EaI = EbI = El = £20

Wenn diese Bedingung in die Gleichungen (3) und (4) wie vorstehend eingesetzt wird, erhält man, daß

£2 = £20 = -El - Ek -Kl-El + Kl-ER

ist, was seinerseits ergibt

Kl-ER= -£20 - £1 · (1 - Ai) (5) Mit (2), (4) und (5) erhält man el=-el+ Kl-EaI+ ElO+ El(I-Kl). (6) und der zweite Schalter Sl bzw. Sl können zweckmäßigerweise elektronisch sein und aus Halbleitern usw. bestehen.

Der erste Schalter ist dabei über einen Widersland 22 an das einkommende Videosignal und über einen Widerstand 23 an den Integrator angeschlossen. Der Integrator ist über die Gegenkopplungswiderstände 24 und 25 an den Schalter Sl angeschlossen, wobei die Widerstände 22 bis 25 den gleichen Wert Rl aufweisen. Der Integrator ist weiter an die Umkehrstufe angeschlossen, die aus den Widerständen 26 und 27 und dem Verstärker 21 besteht. Die beiden Widerstände 26 und 27 weisen einen Wert J?5 auf. Der breitbandige Videoverstärker 20 tastet einerseits über einen Widerstand 28 der Größe R3 die Kompensationsspannung vom Integrator ab und andererseits das einkommende Videosignalei, dessen Mittelwert über einen Widerstand 29 der Größe Rl mit einem Kondensator Cl auf Null eingestellt worden ist, bzw., falls man wünscht,

ao daß der Mittelwert für das ausgehende Bildsignal von Null verschieden sein soll, über einen Widerstand 30 der Größe R4 eine Bezugsspannung ERl einer im voraus bestimmten Größe, wobei der Videoverstärker mit einem Widerstand 31 der Größe Rl gegengekop-

as pelt ist.

Für die Schaltung gemäß der F i g. 7 gilt, daß

el = -el +

Rl RI

— EaI - --- £Λ2 + £1 A3 RA

Wenn man dann die erhaltene Gleichung (6) näher betrachtet, stellt man bei voller Kompensation, wenn

Kl = I ist, fest, daß die in Frage stehende Glei- was identisch mit der Gleichung (6) ist, wenn chung reduziert wird auf:

e2= -el + £al + £20,

woraus der Mittelwert des Bildsignals erhalten '»erden kann

£a2 = -£al + £ol + £20 = £20,

was zeigt, daß der Mittelwert des Bildes unabhängig vom Mittelwert des Eingangssignals konstant auf £20 liegt. Der Mittelwert des Videosignals wird

£2 = £20 + (£fll - £1).

In den F i g. 6a und 6b ist der Zusammenhang zwischen den Eingangs- und Ausgangsspannungen, die in den uieichungcn wie vorstehend erhalten sind, in Diagrammform angegeben. Aus F i g. 6b geht unter anderem hervor, wie der Mittelweit der Bildsignale das im voraus bestimmte Niveau £20 einnimmt. Ferner geht aus den genannten zwei Figuren hervor, daß die Signale umgekehrt werden.

In F i g. 7 ist ein detaiiiiertes Ausführungsbeispiel dafür gezeigt, wie die Anordnung nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut sein kann. Der Integrator ist hier mit 19 und Cl bezeichnet, wohingegen der breitbandige Videoverstärker mit 20 benannt ist, und ferner ist eine Umkehrstufe 21,26 und 27 zwischen den Integrator und den Videoverstärker geschaltet. Ein erster Schalter Sl ist während der ersten Zeit (T- t) geöffnet, wenn das Videosignal el = ebl (= Hinterarundsignal) ist, und während der zweiten Zeit / geschlossen, wenn el = cal (= Bildsignal) ist. Ein zweiter Schalter S2 ist während der zweiten Zeit / offen und während der ersten Zeit T— t geschlossen. Der erste R3 '

£20 = -— ERl. R4

*° Damit man mit dem Kreis nacii F i g. 7 eine volle Kompensation erhält, ist gefordert, daß

Rl = R3 {Kl = 1), und die Gleichung (7) wird dann reduziert auf

R "2.

el = -el + £al ERl. (8)

R4

Dci Mittelwert des Bildsignals wird aus f81 erhalten:

EaI = -£ai

EaI-**-

R4

ER2,

d. h. konstant und unabhängig vom Hintergrundsignal ebl.

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 f an Stelle der ersten Zeit Γ— / zu wählen. Ferner ist es nicht notwendig, das Videosigna! in jeder Zeilenperiode abzutasten, sondern man kann sich damit be-

Ü5 gnügen, es einmal für eine gewisse Gruppe von Zeilenperioden abzutasten, oder umgekehrt, eine Gruppe von Zeilenperioden, beispielsweise eine solche Gruppe von Zeilenperioden, die in einem Bild enthalten ist,

kann ein oder mehrere Male abgetastet werden und dabei während der im voraus festgelegten Zeitspannejedes Mal. Um dieses zu erreichen, ist unter andeiem eine irr Vergleich mit F i g. 7 verschiedene, aber ebenfalls bekannte Toranordnung erforderlich. Wie dem vor-

stehenden zu entnehmen ist, ksnn 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 514/383

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Kompensation der Einwirkung der Hintergrundstrahlung auf die Bilddarstellung in einer Infrarot-Kamera, wobei der Bildwiedergaberöhre ein in einem Detektor erzeugtes Videosignal zugeführt wird, in dem ein Bildsignal und ein 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 Zeilenperiode oder Gruppe von Zeilenperioden vorgesehen isi und in Abhängigkeit vom Augenblickswert des abgetasteten Teils 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 räch Anspruch '., dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Größe den genannten Mittelwert derart beeinflußt, daß er ein im wesentlichen konstantes Niveau einnimmt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im voraus bestimmte Zeitspanne gleich einer erHen 7,it(7"— /) in der Zeilenperiode des Videosignals ist, in welcher das Hintergrundsignal auftritt.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im voraus bestimmte Zeitspanne gleich einer zweiten Zeit (/) in der Zeilenpenode des Videosignals ist, in welcher das Bildsignal auftritt.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das kompensierende Organ einen Integrator (14 und C) enthält, der bei jeder im voraus bestimmten Zeitspanne über ein Tor (15) an das Videosignal angeschlossen wird.

6. .Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vom kompensierenden Organ erzeugte Größe einem Videoverstärker (16) zugeführt wird, der auch das Videosignal abtastet, und daß der Ausgang (10/>) des Videoverstärkers an die Bildröhre angeschlossen ist.