DE2231650A1 - Abtastsystem zur Betrachtung einer Szenerie - Google Patents

Description

EIKENBERG & BRÜMMERSTEDT PATENTANWÄLTE IN HANNOVER

Hawker Siddeley Dynamics Limited 240/543

Abtastsystem zur Betrachtung einer Szenerie

Die Erfindung betrifft ein Abtastsystem zur Betrachtung einer Szenerie, bei dem die su betrachtende Szenerie von mehreren elementaren Detektoren abgetastet wird, die. in einer Reihe angeordnet sind, die quer zur Abtastrichtung verläuft, und bei dem jeder Detektor sein Signal an einen individuellen Ausgangskanal abgibt.

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Ea aind Vorrichtungen mit Verwendung des äußeren Fotoeffektes bekannt, bei denen Elektronen von einer lichtempflnd-1ionen Substanz durch auftreffende Photonen kurzer Wellenlänge emittiert werden. Die freigegebenen Elektronen können in einem elektrischen Feld beschleunigt und dann auf einen Phosphorschirm gerichtet werden, aus dem sie eine große Zahl sichtbarer Photonen auslösen. Durch Verstärkung und Umwandlung in sichtbare Strahlung können auf diese Weise Objekte auf große Entfernungen nahezu bei Dunkelheit sichtbar gemacht, gesteuert und identifiziert werden. Sowohl die lichtempfindliche Schicht, die die Elektronen emittiert als auch die Phosphorschicht, die sie aro Ausgang in sichtbare Photonen umsetzt, sind ununterbrochene Sohiohten, die aus sehr feinen Körnern bestehen und eine geringe Degradation des Bildes erzeugen. Derartige Geräte sind zu hoher Vollkommenheit entwickelt worden. Sie weisen jedoch zwei grundlegende Nachteile auf. Einerseits erfordern sie eine gewisse Beleuchtung der zu betrachtenden Szenerie , und andererseits wird ihre Wirksamkeit rasch durch zerstreute Aerosole» und sogar durch Aerosole geringer Dichte wie Dunst oder Nebel vermindert. Die Häufigkeit einer Beleuchtung durch trübes Sternenlicht und die Häufigkeit von nächtlichem Dunst oder Nebel ist daher von großer Bedeutung. Dies gilt insbesondere bei militärischen Operationen, da ein bereitstehender Gegner diese Zustände vorhersagen und auf ihr Eintreten warten kann.

Diese beiden Nachteile werden dann überwunden, wenn man zur Herstellung des Abbildes der Szenerie langwellige Infrarotstrahlung verwendet. Die von der Szenerle emittierte

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Strahlung zwischen 4 und 14 Mikrometer, die von der Temperatur der Objekte herrührt, 1st ausreichend um festgestellt werden zu können. Schwankungen in der Temperatur und im Emissionsvermögen der Objekte der Szenerie genügen zur Erzeugung von Schwankungen der ausgesandten Strahlung, durch die ein auswertbares Bild erzeugt wird. Die Übertragung dieser langwelligen Strahlung durch die Atmosphäre wird weitaus weniger durch Dunst, Nebel oder Rauch beeinträchtigt. Eine gegliederte Betrachtungsanlage, die bei einer Wellenlänge von mehr als 4 Mikrometer arbeitet, bringt daher beträchtliche Vorteile, vorausgesetzt, daß das Auflösungsvermögen der Anlage gut ist.

Insbesondere bei militärischen Operationen ist die Fähigkeit, Abbildungen von Szenen in großer Entfernung deuten zu können, sehr wichtig, und die maximal auswertbare Reichweite einer Anlage hängt sehr stark von dem Auflösungsvermögen (oder der Winkelauflösung) der Abbildevorriohtung ab.

Der äußere Fotoeffekt kann nur bei Wellenlängen bis 1 /u angewendet werden. Bei darüberhinausgehenden Wellenlängen müssen andere infrarotempfindliche Vorrichtungen eingesetzt werden. Derartige Vorrichtungen sind in zahlreicher Form bekannt, und können in zwei Gruppen unterteilt werden. Die eine Gruppe enthält beispielsweise ein Infrarot-Vidioon, welches eine stationäre, empfindliche Fläche großer Ausdehnung besitzt, auf der ein Abbild der Szenerie hergestellt wird. Die elementaren Bereiche dieser sensitiven Fläche empfangen je-

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weils die Strahlung von einem entsprechenden Punkt der äußeren Szenerie für die Dauer einer Bildperiode, die in,der Regel eine 25stel Sekunde beträgt. Während dieses ganzen Intervalls setzt sich der von der auftreffenden Strahlung verursachte Effekt fort und wird integriert. Am Ende einer jeden Bildperiode wird der integrierte Wert der einzelnen Elementarbereiche abgefragt und zur Bestimmung der Helligkeit des entsprechenden Punktes auf der Anzeigevorrichtung verwendet. Es sind zahlreiche Abwandlungen dieser Gruppe von Vorrichtungen bekannt. Langwellige Infrarot-Vorrichtungen haben sich bisher als wenig erfolgreich erwieeen. Der wichtigste Grund hierfür liegt darin, daß der Pegel der von der Szenerie abgegebenen thermischen Strahlung bei den hierfür in Betracht kommenden Wellenlängen verhältnismäßig hoch und die Amplitude des aufmodulierten Bildes verhältnismäßig klein ist (in der Größenordnung von 1$ des Dauerpegels). Kleine Schwankungen der Empfindlichkeit von Punkt zu Punkt auf der sensitiven Fläche können daher zu einer unerwünschten statischen , räumlichen Störung führen, deren Amplitude groß im Vergleich zum gewünschten Bild ist.

Dieser Effekt wird bei der zweiten Gruppe der langwelligen infrarotempfindlichen Vorrichtungen vermieden, bei denen ein kleines diskretes Detektorelement oder eine Anordnung mehrerer diskreter Detektorelemente ein Abbild der äußeren Szenerie quer durchläuft. Jedes der Detektorelemente ist weohselstrommäßig mit einem Verstärker verbunden, der die Helligkeit des entsprechenden Punktes auf der Anzeige-

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vorriohtung bestimmt. Durch die Wechselstromkopplung ist das System nur empfindlich für Änderungen der Szeneriehelligkeit und nicht für den absoluten Helligkeitspegel. Das System '· reagiert daher wesentlich weniger auf Empfindliohkeitsuntersohiede bei den Detektoren. Darüberhinaus ist die Anzahl ^!

der Detektorelemente normalerweise ziemlich klein, so daß ihre Eigenschaften Individuell eingestellt werden können. '■

Bisher war es jedoch nicht möglich, die bei dieser Gruppe von langwelligen infrarotempfindlichen Vorrichtungen eingesetzten diskreten Detektoren zuverlässig mit Durchmessern ^: von weniger als etwa 50 Mikrometer herzustellen. Eine Verringerung über diese Abmessungen hinaus führt zu einer Abnahme des spezifischen Erkennungsvermögens aufgrund der zunehmenden Bedeutung von Randeffekten. Hierdurch wird auch die Anbringung von elektrischen Kontakten schwierig. Ferner kann die gegenseitige Einwirkung benachbarter Elemente der Anordnung Überhand nehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abtastsystem der eingangs genannten Gattung zu verbessern und insbesondere das Auflösungsvermögen zu erhöhen.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in jedem Signalkanal mit Ausnahme des ersten und letzten Kanals Summlerungsmittel vorgesehen sind, durch die Teile der Signale aus benachbarten Kanälen mit dem Signal des

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jewelllgen Detektors so kombiniert werden, daß die Modulationstrans fer-Punk ti on des Systems quer zur Abtastrichtung verbessert wird.

.Vorzugsweise sind jedem Signalkanal weitere Summierungsmittel zugeordnet, durch die das in dem Kanal in einem individuellen Zeitpunkt vorhandene Signal mit Teilen der Signale die in demselben Kanal zu anderen Zeitpunkten vorhanden sind, so kombiniert wird, daß die Modulationstransfer-Punktion des Systems in Abtastrichtung verbessert wird. .

Sie Summierung der Signale erfolgt dabei vorzugsweise mit Hilfe von rückgekoppelten Summlerungsverstärkern und geeigneten Widerstandenetzwerken.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 Modulationstransferfunktionen für verschiedene Infrarot-Betrachtungssysteme,

PIg. 2 eine schematische Darstellung der aus mehreren Einzel-Detektoren bestehenden Abtastvorrichtung und

Fig. 3 eine elektrische Schaltung in Porm eines Blockschaltbildes für ein erfindungsgemäßes System.

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Fig. 1 zeigt die Modulationstransferfunktion 11 (Modulationstransfer, der in Prozenten über der Spatial-Frequenz aufgetragen ist und als Maß für das Auflösungsvermögen dient) eines typischen dreistufigen Bildverstärkers mit einem Schirm von 40 mm Durohmeeser, der in einem vorhandenen Nachtbetrachtungsgerät mit einem kurzwelligen infrarot-empfindlichen System,bei dem der äußere Fotoeffekt genutzt wird, anzutreffen ist (diese Modulationstransferfunktion setzt einen hohen Lichtpegel voraus). Figur 1 zeigt ferner die Modulationstransferfunktion 12 eines Detektors mit 50 Mikrometer Durchmesser für ein langwelliges Infrarotsystern. Da die BiIdverstärker-Transferfunktion 11 Verstärker und Anzeigevorrichtung umfaßt, sind deren Wirkungen auch bei dem langwelligen System eingeschlossen. Es wird davon ausgegangen, daß der Verstärkerfrequenzverlauf vom Gleichstromwert bis über die Spatial -Grenzfrequenz des übrigen Systems hinaus konstant ist*

Man sieht, daß wegen der großen Abmessungen des langwelligen Detektorelementes die Modulationstransferfunktion 12 dieses Systems bemerkenswert schneller mit zunehmender Spatial -Frequenz abfällt als die Transferfunktion 11 des Bildverstärkersystems. Das lange Ende der Modulationstransferfunktion 11 des Bildverstärkers ist kein wichtiger Vorteil, weil die in der Praxis vorkommenden Werte des dem Ziel innewohnenden Kontrastes und atmosphärische Effekte die tatsächliche Ausgangsmodulation unter den wahrnehmbaren Pegel vermindern. Trotzdem gibt der Bildverstärker bei 50 ?& Modulationstransfer - was wichtig ist - eine 20 # bessere Auf-

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lösung und damit eine um 20 # größere Reichweite.

Hierbei ist angenommen, daß die Linse in beiden Fällen gleich ist, aber der Wunsch nach einer relativen Apertur in der Nähe von P/1 für eine hinsichtlich der Beugung begrenzte Betrachtung bei großer Reichweite sowie praktische Grenzen der Linsenabmessungen ergeben Im allgemeinen) daß dies zutrifft.

Aus verschiedenen praktischen Gründen ist es bei den hier betrachteten Typen von Infrarotsystemen üblich, eine Reihe 14 von einzelnen Detektoren zu verwenden, die gemäß Fig. 2 das Abbild 15 der äußeren Szenerie in einer Richtung abtasten, die senkrecht zur Reihenanordnung der Detektoren verläuft. Benachbarte Detektoren tasten somit benachbarte parallele Linien des Fernsehrasters ab.

Wenn man die einzelnen Detektoren dieser Reihenanordnung mit den Buchstaben A, B, C usw. und ihre Signalausgänge mit a, b, ο usw. bezeichnet, ist es.möglich, duroh Verwendung einfacher Widerstandsnetzwerke für jeden Detektor J eine korrigierte Form j' des Detektorausgangs 3 nach folgender Gleichung abzuleiten:

r = j + ρ O -¹^ ) (D

wobei i und k die nicht korrigierten Ausgänge von Detektoren I und K₁ und F eine durch Optimierung bestimmte empirische

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Konatante 1st.

Wenn die Helligkeit der Anzeigevorrichtung an dem der augenblicklichen Position des Detektors J entsprechenden Punkt proportional zu diesem korrigierten Ausgang gemacht wird, erreloht man eine verbesserte Modulationstransferfunktion In einer Rlohtung, die senkrecht zur Abtastriohtung verläuft.

Wenn ferner die korrigierten Ausgänge des Detektors J an drei aufeinanderfolgenden , gerade berührenden Stellen in Abtaetriohtung j| , ji , ;)£ sind, kann ein korrigierter Ausgang jΠ der Form

durch Verwendung mehrerer Detektorelemente In Abtastrichtung oder eines Speichersystems abgeleitet werden, um einen verbesserten Modulationstransfer In Abtastrlohtung abzuleiten, ohne daß nach scharfen Untätigkeitsstellen ein Nachschwingen oder eine Blldverdoppelung auftritt. Die Verwendung der korrigierten Ausgänge jJ , V\ * JJJ bietet eine Korrektur sowohl In als auch quer zur Abtastriohtung.

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Duroh ähnliche Funktionen kann unter gleichzeitiger Verwendung von noch mehr Detektorelementausgängen eine weitere Verbesserung der Modulationstransferfunktion dee Systems erreicht werden. Diese Verfahren erhöhen in gewissem Ausmaß die Systemstörungen. Bei einer Korrektur im rechten Winkel zur Abtastrichtung gemäß Gleichung (1) nehmen die Störungen durch einen Paktor [(2 + 4P + 3 P²)/2J ¹'² zu. Ein typischer Wert für P ist 0,3 und in diesem Falle beträgt der Faktor 1,32. Wenn derselbe Wert von P für eine Verbesserung in Abtastrichtung verwendet wird, nehmen die GesamtBtörungen um einen Faktor 1,74 zu. In Fig. 1 ist eine dritte Kurve 13 aufgetragen, die die Modulationstransferfunktion des langwelligen Infrarotsyatems zeigt, deeaen unkorrigierter Verlauf zuvor in Kurve 12 gegeben wurde, jedoch bei Anwendung einer Aperturkorrektur der Form

= j + 0,353 (j-

Wie man sieht, ist das Ergebnis eine Modulationstransferfunktion, die vergleichbar oder besser als die mit dem Bildverstärker erreichte Funktion 11 ist, und zwar über den gesamten Bereich, wo der Modulationstransfer 40 Prozent übersteigt, wobei laufend verwendete Infrarotdetektorabmessungen benutzt werden. Eine Feldauswertung hat gezeigt, daß diese Form der Modulationstransferfunktion erheblich wirksamer 1st , als die des Bildverstärkers.

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FIg. 3 zeigt in einem Blockschaltbild ein System mit einer Reihe von 9 Detektorelementen A, B, C usw. Das Signal jedes Detektorelementes wird verstärkt. Im Falle des ersten und letzten Detektorelementes A und I erhöhen die entsprechenden zweiten Verstärker 17 lediglich die Signalverstärkung; in den übrigen Kanälen der Dektorelemente ist der zweite Verstärker 18 ein rückgekoppelter Summierungsverstärker, der nicht nur das Signal von seinem eigenen Detektor an einer Eingangeklemme sondern auch an seiner Klemme entgegengesetzter Polarität Teile der Signale von benachbarten Detektorkanälen über Widerstandsnetzwerke 19_t erhält. Die Verstärker 18 liefern jeweils einen Ausgang, der eine korrigierte Modulationstransferfunktion in Richtung der Reihenanordnung gemäß Gleichung (1) darstellt.

Die Ausgänge der Verstärker 17, 18 werden entsprechenden dritten Verstärkern 21 zugeführt, die ebenfalls rückgekoppelte Summierungsverstärker sind. Jeder dieser Verstärker 21 empfängt an einer Eingangsklemme den Signalausgang von dem im Kanal vorangehenden Verstärker 17 oder 18, nachdem das Signal ein Verzögerungsnetzwerk 22 durchlaufen hat. An der Klemme mit entgegengesetzter Polarität empfängt der Verstärker 21 einen Teil des Signalausgangs des vorangehenden Verstärkers 17 oder 18 , nachdem dieser weiter in einem zweiten Verzögerungsnetzwerk 22 verzögert worden ist, und ebenso einen Teil des unverzögerten Signals über Widerstandsnetzwerke 23 bzw. 24. Hierdurch wird eine Korrektur der Modulationstransferfunktion in Abtastrichtung gemäß der

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Gleichung (2) bewirkt.

Bel dem dargestellten System sind die Detektoren A, B, usw. insgesamt in einer geraden Linie angeordnet» jedoch sei darauf hingewiesen, daß ein Ersatz der Detektoren und andere Abweichungen von der geraden Linie möglich sind, wenn entsprechende Verzögerungsnetzwerke in den verschiedenen Detektorkanälen eingesetzt werden.

Die Anwendung der Erfindung ist in Verbindung mit Infrarotsystemen beschrieben worde* jedoch 1st die Erfindung nloht hierauf beschränkt und kann ebenfalls in Systemen eingesetzt werden, die andere Wellenlängen verwenden.

-Patentansprüche-

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Claims (1)

1. Patentansprüche :

   Abtastsystem zur Betrachtung einer Szenerie, bei dem

   die zu betrachtende Ansicht von mehreren elementaren Detek* j

   toren abgetastet wird, die in einer Reihe angeordnet sind, ι

   die quer zur Abtastrichtung verläuft, und bei dem jeder j

   Detektor sein Signal an einen individuellen Ausgangskanal ί abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Signalkanal

   mit Ausnahme des ersten und letzten Kanals Summierungsmittel j

   vorgesehen sind , durch die Teile der Signale aus benach- j

   barten Kanälen mit dem Signal des jeweiligen Detektors ι

   so kombiniert werden, daß die Modulationstransferfunktion j

   des Systems quer zur Abtastriohtung verbessert wird. j

   2, Abtastsystem nach Anspruoh 1, daduroh gekennzeichnet« daß j die Summierungsmittel die Signalegemäß der Gleichung

   j' = j + P(J -ψ )

   zusammenfassen, wobei j¹ der korrigierte Ausgang eines .
   Detektor ausgange β j von¹ einem Detektor J, 1 und k die un-

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   korrigierten Ausgänge von Detektoren I und K,und P eine Konstante bedeuten,

   3. Abtastsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet« daß jedem Signalkanal weitere Summierungsmittel zugeordnet sind,' duroh die das In dem Kanal in einem individuellen Zeitpunkt vorhandene Signal mit Teilen der Signale, die in demselben Kanal zu anderen Zeltpunkten vorhanden sind, so kombiniert wird, daß die Modulationstransferfunktion des Systems in Abtastrichtung verbessert wird.

   4. Abtastsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Eingängen der weiteren Summierungsmittel modifizierte Ausgangssignale von den ersten Summlerungsmitteln zugeführt werden.

   5. Abtastsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Summierungemittel in jedem Kanal die Signale gemäß der Gleichung

   zusammenfassen.

   6. Abtastsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüohe, dadurch gekennzeichnet, daß die Summierungsmittel jeweils

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   aus einem rückgekoppelten Summierungsverstärker und Eingangs· Widerstandsnetzwerken bestehen.

   7. Abtastsystem nach Anspruch 3_t 4 oder 5_t daduroh gekenneeichnett daß zur Gewinnung der von den weiteren Suinmierungsmitteln zu kombinierenden verschiedenen Augenblicke signale Terzögerungsnetzwerke dienen*

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