DE2231650C3 - - Google Patents

Description

zusammengefaßt werden, wobei j' der korrigierte Ausgang eines Detektorausganges j von einem Detektor J, i + k die unkorrigierten Ausgänge von Detektoren I + K, und feine Konstante bedeuten.

2. Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Signalkanal weitere Summierungsmittel (21) zugeordnet sind, 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 Modulations- jo transfer-Funktion des Systems in Abtastrichtung verbessert wird.

3. Abtastsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Eingängen der weiteren Summierungsmittel (21) modifizierte Ausgangs- 3^r> signale von den ersten Summierungsmitteln zugeführt werden.

4. Abtastsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Summierungsmittel (21) in jedem Kanal die Signale gemäß der Gleichung

Π = i'i +

zusammenfassen.

5. Abtastsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Summierungsmittel jeweils aus einem rückgekoppelten Summierungsverstärker (18,21) und Eingangswider-Standsnetzwerken (19,20) bestehen.

6. Abtastsystem nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung der von den weiteren Summierungsmitteln (21) zu kombinierenden verschiedenen Augenblicksignale Verzögerungsnetzwerke (22) dienen.

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Die Erfindung betrifft ein Abtastsystem zur Betrachtung einer Szenerie, bei dem die zu betrachtende Szenerie von mehreren 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.

Es sind Vorrichtungen mit Verwendung des äußeren Fotoeffektes bekannt, bei denen Elektronen von einer lichtempfindlichen Substanz durch auftreffende Photonen kurzer Wellenlänge emittiert werden. Die freigegebenen Elektronen können in einem elektrischen Feld beschleunigt und dann auf einsn 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 Entfernungec nahezu bei Dunkelheit sichtbar gemacht, gesteuert und identifiziert werden. Sowohl die lichtempfindliche Schicht die die Elektronen emittiert als auch die Phosphorschicht die sie am Ausgang in sichtbare Photonen umsetzt sind ununterbrochene Schichten, 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 mil'tärischen 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 Szenerie emittierte Strahlung zwischen 4 und 14 Mikrometer, die von der Temperatur der Objekte herrührt, ist 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 Auflösungsvei mögen (oder der Winkelauflösung) der Abbildevorrichtung ab.

Der äußere Fotoeffekt kann nur bei Wellenlängen bis 1 μ angewendet werden. Bei darüber hinausgehenden 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-Vidicon, welches eine stationäre, empfindliche Fläche großer Ausdehnung besitzt, auf der ein Abbild der Szenerie hergestellt wird. Die elementaren Bereiche dieser sensitiven Fläche empfangen jeweils 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 erwiesen. Der wichtigste Grund hierfür liegt darin, daß der Pegel der von der Szenerie abgegebenen thermischen Strahlung bei den hie'für in Betracht kommenden Wellenlängen verhältnismäßig hoch und die Amplitude des aufmodulierten Bildes verhältnismäßig klein ist (in der Größenordnung von 1% des Dauerpegei-j). 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 wechselstrommäßig mit einem Verstärker verbunden, der die Helligkeit des entsprechenden Punktes auf der Anzeigevorrichtung 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 Empfindlichkeitsunterschiede bei den Detektoren. Darüber hinaus ist die Anzahl der Detektorelemente normalerweise ziemlich klein, so daß ihre Eigenschaften individuell eingestellt werden kdnr.en.

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 * "Ordnung Oberhand 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 Summierungsmittel vorgesehen sind, durch die Teile der Signale aus den beiden benachbarten Kanälen mit dem Signal des jeweiligen Detektors gemäß der Gleichung

zusammengefaßt werden, wobei j' der korrigierte Ausgang eines Detektorausganges j von einem Detektor J, i + k die unkorrigierten Ausgänge von Detektoren I + K, und Peine Konstante bedeuten.

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-Funktion des Systems in Abtastrichtung verbessert wird.

Die Summierung der Signale erfolgt dabei vorzugsweise mit Hilfe von rückgekoppelten Summierungsverstärkern und geeigneten Widerstandsnetzwerken.

In dem älteren Patent 22 24 275 ist zwar eine Vorrichtung zur Bilderzeugung unter Schutz gestellt bei der eine Einrichtung zur Verarbeitung der Ausgangssignale der einzelnen Detektorelemente der Detektoranordnung vorhanden ist die eine Summierung der aus dem gleichen Abschnitt des Blickfeldes stammenden Ausgangssignale der einzelnen Detektorelemente bewirkt jedoch liegen hier völlig andere Umstände als bei der Erfindung vor. Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung sind die einzelnen Elemente der Detektoranordnung parallel zur horizontalen Abtastrichtung, also parallel zur Ausdehnung der Zeilen der Szenerie angeordnet Die Zeilen der Szenerie laufen bei der Abtastung nacheinander über die Detektoranordnung hinweg, so daß jeder Punkt der Szenerie über die Detektoranordnung hinweggeführt wird. Daraus folgt daß jeder Punkt einer Zeile über alle Detektoren hinwegläuft und in jedem Detektor einen Signalanteil erzeugt wobei die Signalanteile aller Detektoren, die zu diesem Bildpunkt gehören, unter Verwendung von Verzögerungsmitteln addiert werden, so daß die Signalanteile aller Detektoren, die sich auf jeweils einen Punkt beziehen, in ihrer tatsächlichen Amplitude zur Sichtbarmachung auf dem Sichtgerät zur Verfügung

jo stehen. Demgegenüber sind bei der Erfindung die Detektoren in einer Reihe angeordnet, die quer zur Abtastrichtung veräuft d. h. jeder Zeile ist ein Detektor zugeordnet, der nacheinander bei der Abtastung der Szenerie alle Helligkeitswerte dieser Zeile empfängt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung bedeutet

Fig. 1 Modulationstransfer-Funktionen für verschiedene Infrarot- Betrachungsrysteme,
F i g. 2 eine schematische Darstellung der aus mehreren Einzel-Detektoren bestehenden Abtastvorrichtung und

F i g. 3 eine elektrische Schaltung in Form eines Blockschaltbildes für ein erfindungsgemäßes System.
F i g. 1 zeigt die Modulationstransferfunktion 11

4^r> (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 Durchmesser, 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). F i g. 1 zeigt ferner die Modulationstransferfunktion 12 eines Detektors mit 50 Mikrometer Durchmesser für ein langwelliges Infrarotsystem. Da die Bildverstärker-Transferfunktion 11 Verstärker und Anzeigevorrichtung umfaßt, sind deren Wirkungen auch bei dem langweiligen 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 Modulationstrans-

b-s ferfunktion 12 dieses Systems bemerkenswert schneller mit zunehmender Spatial-Frequenz abfällt als die Transferfunktion 11 des ßüdverstärkersystems. 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 atmosphärisch Effekte die tatsächliche Ausgangsmodulation unter den wahrnehmbaren Pegel vermindern. Trotzdem gibt der Bildverstärker bei 50% Modulaiionstransfer — was wichtig ist — eine 20% bessere Auflösung 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 FIX 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 F i g. 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 a, b, c usw. bezeichnet, ist es möglich, durch Verwendung einfacher Widerstandsnetzwerke für jeden Detektor / eine korrigierte Form j' des Detektorausgangs j nach folgender Gleichung abzulei

(1)

wobei / und k die nicht korrigierten Ausgänge von Detektoren / und K, und P eine durch Optimierung bestimmte empirische Konstante ist.

Wenn die Hellgkeit der Anzeigevorrichtung an dem der augenblicklichen Position des Detektors / entsprechenden Punkt proportional zu diesem korrigierten Ausgang gemacht wird, erreicht man eine verbesserte Modulationstransferfunktion in einer Richtung, die senkrecht zur Abtastrichtung verläuft.

Wenn ferner die korrigierten Ausgänge des Detektors / an den drei aufeinanderfolgenden, gerade berührenden Stellen in Abtastrichtung jr, jy, jk- sind, kann ein korrigierter Ausgangy)-der Form

(2)

durch Verwendung mehrerer Detektorelemente in Abtastrichtung oder eines Speichersystems abgeleitet werden, um einen verbesserten Modulationstransfer in Abtastrichtung abzuleiten, ohne daß nach scharfen Unstetigkeitsstellen ein Nachschwingen oder eine Bildverdoppelung auftritt Die Verwendung der korrigierten Ausgänge j,-, jy, jk- bietet eine Korrektur sowohl in als auch quer zur Abtastrichtung.

Durch ähnliche Funktionen kann unter gleichzeitiger Verwendung von noch mehr Detektorelementausgängen eine weitere Verbesserung der Modulationstransferfunktion des System 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 Faktor [(2+4P+3P2)/2]"* zu. Ein typischer Wert für Pist 0,3 und in diesem Falle beträgt der Faktor 1,32 Wenn derselbe Wert von P für eine Verbesserung ir Abtastrichtung verwendet wird, nehmen die Gesamtstörungen um einen Faktor 1,74 zu. In Fig. 1 ist eine dritte Kurve 13 aufgetragen, die die Modulationstransferfunktion des langwelligen Infrarotsystems zeigt, dessen unkorrigierter Verlauf zuvor in Kurve 12 gegeben wurde, jedoch bei Anwendung einer Aperturkorrektur der Form

/=./ + 0,353

Wie man sieht, ist das Ergebnis eine Modulationstranslerfunktion, die vergleichbar oder besser als die mil 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

2(i Feldauswertung hat gezeigt, daß diese Form der Modulationstransferfunktion erheblich wirksamer ist, als die des Bildverstärkers.

F i g. 3 zeigt in einem Blockschaltbild ein System mil einer Reihe von 9 Detektorelementen A, B, Cusw. Das

2^r> Signal jedes Detektorelements wird verstärkt. Im Falle des ersten und letzten Detektorelementes A und , erhöhen die entsprechenden zweiten Verstärker 17 lediglich die Signalverstärkung; in den übrigen Kanälen der Detektorelemente ist der zweite Verstärker 18 ein

j» rückgekoppelter Summierungsverstärker, der nicht nur das Signal von seinem eigenen Detektor an einer Eingangsklemme sondern auch an seiner Klemme entgegengesetzter Polarität Teile der Signale von benachbarten Detektorkanälen über Widerstandsnetz· werke 19, 20 erhält Die Verstärker 18 liefern jeweils einen Ausgang, der eine korrigierte Modulationstransferfunktion in Richtung der Reihenanordnung gemäO Gleichung (l)darstellt.
Die Ausgänge der Verstärker 17, 18 werder entsprechenden dritten Verstärkern 21 zugeführt die ebenfalls rückgekoppelte Summierungsverstärker sind Jeder dieser Verstärker 21 empfängt an einei Eingangsklemme den Signalausgang von dem im Kana; vorangehenden Verstärker 17 oder 18, nachdem das Signal ein Verzögerungsnetzwerk 22 durchlaufen hat An der Klemme mit entgegengesetzter Polaritäi empfängt der Verstärker 21 einen Teil des Signalausgangs des vorangehenden Verstärkers 17 oder 18 nachdem dieser weiter in einem zweiten Verzögerungsso netzwerk 22 verzögert worden ist, und ebenso einen Teil des unverzögerten Signals über Widerstandsnetzwerke 23 bzw. 24. Hierdurch wird eine Korrektur der Modulationstransferfunktion in Abtastrichtung gemäC der Gleichung (2) bewirkt

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

Die Anwendung der Erfindung ist in Verbindung mit Infrarotsystemen beschrieben worden, jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt und kann ebenfalls in Systemen eingesetzt werden, die andere Wellenlängen verwenden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Abtastsystem zur Betrachtung einer Szenerie, bei dem die zu betrachtende Szenerie von mehreren Detektoren abgetastet wird, die in einer Reihe angeordnet sind, die quer zur Abtastrichtung verläuft und bei dem jeder Detektor sein Signal an ein individuelles Ausgangssignal abgibt dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Signalkanal mit Ausnahme des ersten und letzten Kanals Summierungsmittel (18) vorgesehen sind, durch die Teile der Signale aus den beiden benachbarten Kanälen mit dem Signal des jeweiligen Detektors gemäß der Gleichung

i + k