DE2250251A1 - Optronisches verfahren zur abtastung von gelaendeprofilen und schaltungsanordnung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Optronisches verfahren zur abtastung von gelaendeprofilen und schaltungsanordnung zur durchfuehrung dieses verfahrens

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Description

. ■ P 72/3
10„10.1972 Ma/Fs
ELTEO GMBH & CO., GESELLSGHAi1T FÜH STRäJHLOTGSTECHNIK 6900 Heidelberg, Kurpfalzring 106
Optronisches Verfahren zur Abtastung von Geländeprofilen und Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein optronisches "Verfahren zur Aufzeichnung der Temperaturverteilung von Geländestreifen in der Art eines Wärmebildes mit 'Hilfe einer Detektorzeilenanordnung sowie eine:· Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens. Das System eignet sich für die Anwendung bei Flugzeugen oder Aufklärungsflugkörpern, wobei die Anordnung, wie bekannt, aus einer Abtasteinheit, einer Verstärkungsund Auswerteelektronik und einer Hegistriereinheit mit FiImkassette besteht« Es wird im folgenden als IB-Linescan-System (.IRLS) bezeichnet.
Es sind bisher IHLS-Systeme bekannt, die mit einem einzelnen optoelektronischen Empfangselement arbeiten. Die Wärmestrahlung des überflogenen Geländes wird hierbei über einen oder mehrere Planspiegel und einen oder mehrere feste Ablenkspiegel'sowie ein IR-Objektiv auf dem optoelektronischen Empfangselement fokussiert und über diesen optoelektronischen Wandler in elektrische Signale umgewandelt«, Die verstärkten elektrischen Signale dienen zur Helligkeitssteuerung- einer Speziallampe oder einer Kathodenstrahlröhre, die über eine oder mehrere rotierende Optiken bzw. einen senkrecht zur Filmbewegung abgelenkten Elektronenstrahl das Wärmebild des Geländes streifenförmig auf einen Film aufzeichnet.
Bei diesen IRLS-Systemen können beispielsweise bei Verwendung eines umlaufenden Vierkantprismas bei einer vollen Umdrehung des Prismas vier Geländestreifen nacheinander abgetastet werden. Die Breite eines Geländestreifens ist durch den Bildwinkel des IB-QbJektivs und die Flughöhe des Aufklärungsflugkörpers,
seine Länge ist durch den Abtastwinkel des Systems gegeben.
4O9818/0A62
Um eine kontinuierliche Aufzeichnung des Geländes zu ermöglichen, müssen "bei gegebener Breite des abgetasteten Gelände-Streifens Rotationsgeschwindigkeit des Spiegelsystems und Fluggeschwindigkeit des Aufklarungsflugkörpers über Grund synchron verlaufen. Das hat zur Folge, daß bei Verwendung derartiger IELS-Systerne in schnellfliegenden Flugkörpern hohe Drehzahlen notwendig v/erden. Hohe Drehzahlen der rotierenden Spiegel haben jedoch den Nachteil, daß nur sehr wenig Zeit zum Abtasten eines Flächenelementes des Geländestreifens durch die IR-Optik der IHLS-Abtasteinheit verbleibt und damit eine sehr geringe Wärmestrahlungsenergie pro Flächeneinheit auf das Empfangselement auftrifft. Dadurch wird die untere Grenze der noch auflösbaren Temperaturdifferenz des Wämnebildes nach oben verschoben, d.h. mit der Vergrößerung der Abtastgeschwindigkeit verschlechtert sich die Temperaturauflösung. Aus diesem Grunde und weil das IR-Empfangselement eine endliche Zeitkonstante besitzt, lassen sich mit IBLS-Systemen, die mit einem einzelnen Empfangselement arbeiten, für schnellfliegende Aufklärungskörper keine hohen Temperaturauflösungen der Wärmebilder erzielen, zumal diese in ihrem Gewicht und Volumen stark eingeschränkt sind.
Nach einem aus der DT-PS 1 623 425 bekannten Verfahren und System zur Durchführung des Verfahrens wird die aufgenommene Wärmestrahlung auf mehrere gleichartige Empfangselemente aufgeteilt, welche nach einer optoelektronischen Umwandlung getrennt elektrische Signale liefern, die nach Verstärkung und weiterer Umwandlung in optische Signale zur Aufzeichnung eines Wärmebildes dienen. Auf diese Weise werden "bei der
Äeilenanordnung von η Empfangszellen η Geländestreifen gleichzeitig abgetastet. Gegenüber den mit einem Empfangselement arbeitenden Verfahren ermöglicht dies eine Reduzierung der ßpiegelrotation um den Faktor l/n. Gleichzeitig wird die Verweilzeit pro Flächenelement des Geländestreifens η-mal größer. Da die Temperaturauflösung proportional der Verweilzeit ist, kann mit diesem Verfahren eine wesentlich höhere Temperaturauflösung erzielt werden als mit einem mit nur einer Einzelempfangszelle arbeitenden Verfahren bzw. System. Mit anderen Worten, die Chaneen für eine gute Aufklärung werden durch
409818/0462 ' ~3~
dieses Verfahren erheblich verbessert«,
Bei dem zuletzt beschriebenen Verfahren besitzt die Abtast-= einheit einen vorgegebenen Blickwinkel ω und zerlegt das überflogene Gelände in quer zur flugrichtung laufende Streifens die nacheinander von einer Seite zur anderen abgetastet werden. Da die Geländestreifen durch ein rotierendes Prismen- oder Spiegelsystem abgetastet werden -und die Entfernung vom Flugkörper zu den einzeln abgetasteten Flächenelementen des Geländestreifens von der Mittelstellung nach außen zunimmt, vergrößert sich wegen des konstanten Blickwinkels W- gleichseitig'die vom Abtastgerät erfaßte Breite des Flächenelemente.. Der vom Aufnahmegerät bei einer vollen Schwenkbewegung des Prismen- oder Spiegelsystems aufgenommene Geländestreifen hat deshalb keine rechteckige Form, sondern die Form eines in der Mitte schmalen, nach-den Enden zu sieh verbreiternden Streifens.« " '
Wenn es möglich wäre", mit.Hilfe einer sehweiJcbaren Optik- etwa durch gleichzeitige Veränderung der Brennweite mit dem Abtäst*- winkel -die Geländestreifen so aufzunehmen9 daß sie über ihre ganze Länge die gleiche. Breite haben^ so .könnte man die Winkelgeschwindigkeit dei? Schwenkbewegung im Verhältnis zur Geschwindigkeit des Flugkörpers und der Flughöhe- so wählen, daß die aufgenommenen Geländestreifen unmittelbar aneinandergrenzen· Da die aufgenommenen Geländestreifen sich öedoch von der Mitte nach außen verbreitern, ist es zweckmäßig, die Abtastgeschwindigkeit so mit der. Fluggeschwindigkeit und der Flughöhe abzustimmen, daß die aufgenommenen Geländestreifen an ihrer schmälsten Stelle aneinanderstoßen. Nimmt man aber die Geländestreifen in der angegebenen Weise auf, -so überdecken sie sich teilweise mit den breiteren äußeren Flächenelementen.
Um eine unverzerrte eindeutige Wiedergabe des Wärmebildes auf dem Registrierfilm zu erzielen, ist aus der DT-OS 1 623 4-26 ein durchaus brauchbares Verfahren bekannt, das jedoch relativ aufwendig ist, so daß die Anzahl der .Elemente in der Zeilenanordnung auf wenige beschränkt werden muß, um den technischen Aufwand in Grenzen zu halten.
40 98 18/046.2- .
Der Vorteil des IR-Linescan-Gerätes mit einer Zeilenanordnung von η Einzelzellen "besteht darin, daß entweder die geometrische Auflösung oder die Temperaturauflösung oder beide verbessert werden. Von Nachteil ist jedoch die Überschneidung der einzelnen abgetasteten Randbereiche, wenn keine Maßnahmen zur optischen Korrektur durchgeführt werden, die Jedoch das Gerät komplizieren und die Zuverlässigkeit des Systems verschlechtern.
Die Verwendung von Detektorzeilenanordnungen bei geometrisch und thermisch hochauflösenden Linescan-Geräten ist erforderlich, weil die verwendeten Sensoren endliche Zeitkonstanten besitzen, d.h. zur Erzielung der höchsten Empfindlichkeit ist eine bestimmte Verweilzeit erforderlich. Diese Verweilzeit kann nur eingehalten werden, wenn man bei Erhöhung von geometrischer Auflösung und Temperatur-Auflösung mehrere Geländestreifen über einen Zeilensensor gleichzeitig abtastet. Die derzeit gelieferten bzw. in Entwicklung befindlichen Geräte erlauben wegen der erforderlichen optischen Korrektur keine Umrüstung vom Einzel- zum Zeilensensor zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, für geometrisch und thermisch hochauflösende Linescan-Geräte trotz der für sie spezifischen Sensoren mit endlicher Zeitkonstante in an sich bekannter Weise eine hohe Empfindlichkeit zu erzielen und außerdem die Möglichkeit zu schaffen, bereits mit Einzelsensoren ausgestattete Geräte zwecks Steigerung der Leistungsfähigkeit ohne großen Aufwand umrüsten zu können.
Gelöst wird diese Aufgabe unter Umgehung der aufgezeigten Nachteile dadurch, daß die Detektorzeile parallel zur Abtastrichtung angeordnet wird und zwischen den einzelnen Detektoren Verkopplungen über Verzögerungsglieder zur Anwendung gelangen. Von Vorteil ist hierbei, daß alle bereits vorhandenen Geräte mit Einzeldetektoren ohne eine optische Korrektur oder einen mechanischen Umbau umgerüstet werden können, da sich die Detektor-
T E zeile wie ein Einzeldetektor der Zeitkpnstante *~ /n verhält, das heißt die Abtastgeschwindigkeit kann gegenüber dem Einzellengerät vereinfacht werden und damit auch die geometrische Auflösung. Die einzelnen Detektorelemente können für unterschiedliche Spektralbereiche ausgelegt sein und die -Verzögerungsglieder eine konstante oder variable Verzögerungszeit besitzen,
,4088 18/0462 ,
Vorteilhafterweise wird hierbei die Verzögerungszeit aller Verzögerungsglieder über einen einzigen Stellmechanismus eingestellt.
Nach weiteren erfindungswesentlichen Merkmalen ist die Verzögerungszeit an die Abtastgeschwindigkeit des optischen Systems oder letztere an die Verzögerungszeit der Detektorzeile angepaßt. Bei Ausfall eines Detektors beispielsweise durch Kurzschluß oder Leerlauf wird zwar reduziert, aber ein Totalausfall wie bei Einzellengeräten -ist nicht möglich.
Im folgenden wird an Hand einer Zeichnung ein Ausführungs/beispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 die schematisierte Darstellung zweier Geländestreifen mit einer zur Abtastrichtung dieser. Streifen parallel angeordneten Detektorzeile und
Fig. 2 die Detektorzeile gemäß Fig. 1, deren einzelne Signale über integrierende Speicher miteinander verbunden sind-r
Das vorgeschlagene Verfahren verwendet eine Detektorzeilenanordnung 1 mit η Detektoren 4, die senkrecht zur Flugrichtung 2 und parallel zur Abtastrichtung 3 im. Bildfeld des IR-Objektives angeordnet sind (Fig. l). Die einzelnen Detektoren 4 haben gleiche Abmessungen. An Stelle variabler Verzögerungsglieder finden, da dies einfacher realisierbar ist, Speicherkondensatoren 6'bis 6 (Fig. 2) Verwendung, die über mit Schaltkontakten I bis VII versehene elektronische Ringschalter 71 his 7 durch Signale aufgeladen und deren Ladungen mit entsprechender Verzögerung auch wieder abgefragt werden können. Aus Gründen einer besseren Übersicht sind in der Zeichnung jedoch nur die Speicherkondensatoren 6' und 6 sowie die elektronischen Ringschalter 7' und 7 dargestellt.
Zu irgendeinem Zeitpunkt wird der Detektor 41 über den elektronischen Ringschalter 71 mit dem Speicherkondensator €·' verbunden, so daß letzterer durch das. Signal des Detektors 4', welches vom Bildpunkt?8" herrührt, aufgeladen wird. Bewegt sich nun die Detektorreihe von links nach rechts über das Bildfeld, so kann man durch geeignete Rotatiansgesphwindigkeit des Schaltkontaktes von 7' erreichen, daß in dem Augenblick, wo der
4098 18/0462 ß
Detektor 4f■ sich auf dem Bildpunkt 8* befindet, das Signal dieses Detektors über den Ringschalter 71 auf den Speicherkondensator 61 gegeben wird und so weiter, bis nach fünf
VI
Schaltschritten das Signal des Detektors 4 f der sich dann auf dem Bildpunkt 81 befindet, auf den Speicherkondensator 6' Zu diesem Zeitpunkt befindet sich auch der synchron
VII
laufende Ringschalter 7 auf der Schaltkontaktstellune; VI,
VI so daß nun die Summenspannung der Detektoren 4' bis 4 , die. vom betrachteten Bildpunkt 8' resultiert, auf dem Ausgang liegt. Hierbei muß noch erwähnt werden, daß in der Aufladestreckß der Kondensatoren in der Zeichnung nicht wiedergegebene Längswiderstände liegen, mit deren Hilfe eine integrierende Wirkung erreicht wird.
Zum gleichen Zeitpunkt wo der Detektor 41 mit dem Speicher-
VI kondensator 6' verbunden ist, wird der Speicherkondensator 6?+,
¥T
der das Summensignal der Detektoren 41 bis 4 für den BiId-
VI VII
punkt 8 enthält, über den Ringschalter 7 auf den Ausgang geschaltet. Die nicht eingezeichneten Speicherkondensatoren
•r τ γ
6** bis 6 liefern die entsprechenden Summensignale der dazwischen liegenden Bildpunkte, die im richtigen Zeitpunkt
VII an den Kontakten II bis V am Ringschalter 7 anstehen.
Nach Beendigung eines jeden Summierungsvorgangs und dessen Abfrage wird der entsprechende Speicherkondensator über den
VI
Bchaltkontakt VII an den Ringschaltern 71 bis 7 nach dem entsprechenden Hassepunkt 51 bis 5 entladen, um für die Integration und Speicherung der Signale des nächsten Bildpunktes vorbereitet zu sein.
Durch geeignete Wahl der Schrittgeschwindigkeit ist es möglich, das Gelände ohne Empfindlichkeitsverlust n-nial so schnell abzutasten wie im Falle der Verwendung eines Einzeldetektors, da "bfli η-Detektoren Jeder Bildpunkt auch über die η-fache Zeit 4etektiert wird und somit keine Bandbreitenvergrößerung stattfindet ,
Das gleiche erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch bei !©genannten Wärmebildgeräten anwenden, die als stationäre Geräte derzeit entweder einen Einzeldetektor besitzen, der
409818/0462
das Bildfeld eines IR-Objektives in zwei Richtungen streifenförmig abtastet oder aus einer Detektorzeilenanordnung, bei der die Zeile parallel zur Abtastrichtung angeordnet ist.
4098.1 8./0462

Claims (10)

  1. Patentansprüche
    Optronisches Verfahren zur Abtastung von Geländeprofilen und Aufzeichnung der Temperaturverteilung von Geländestreifen in der Art eines Värmebildes mit Hilfe einer Detektorzeilenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorzeile (l) parallel zur Abtastrichtung angeordnet wird und zwischen den einzelnen Detektoren (4·) Verkopplungen über Verzögerungsglieder (6) zur Anwendung gelangen.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dra durch gekennzeichnet , daß die einzelnen Detektorelemente (V
    VT
    bis 4 ) für unterschiedliche Spektralbereiche ausgelegt sind.
  3. 3· Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Verzögerungsglieder (6) eine konstante Verzögerungszeit besitzen.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Verzögerungsglieder (6) variable Verzögerungszeiten besitzen.
  5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1,2 und 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Verzögerungszeit aller Verzögerungsglieder (6)vüber einen einzigen Stellmechanismus eingestellt wird.
  6. 6· Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit an die Abtastgeschwindigkeit des optischen Systems angepaßt ist.
    -9-Α09Θ18/0Α62
  7. 7· Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5» d a d u r e h g e k e η η ζ e i c h η e t , däß die Abtastgeschwindigkeit des optischen Systems an die Verzögerungszeit der Detektorzeile (l) angepaßt ist«
  8. 8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7» dadurchge kennzeichnet , daß die.Eoppel-
    - elemente zwischen den Detektoren (4-) so aufgebaut sind, daß bei Ausfall eines der Detektoren in der Zeile das elektrische Signal von dem vorhergehenden Detektor an den nachfolgenden weitergeleitet wird.
  9. 9. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (41 bis 4 ) über eine entsprechende Anzahl von elektronischen Ringschaltern (71 bis 7 ) mit Verzögerungsgliedern (61 bis.6 ) und der Ringschalter (7 ) über einen zusätzlichen, synchron umlaufenden Ringschalter (7 ) mit dem Ausgang (9) dieser Schaltung verbindbar ist bzw. sind.
  10. 10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Verzögerungsglie-
    VI
    der (6* bis 6 ) durch in ihren Aufladestrecken mit Längswiderständen versehene Speicherkondensatoren ersetzt sind, deren Ladung aus mit Verzögerung abfragbaren, von den Bildpunkten (8) herrührenden Signalen besteht.
    0 9 8 18/0462
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