DE2250251B2

DE2250251B2 - Schaltungsanordnung zum optronischen Abtasten von Geländeprofilen

Info

Publication number: DE2250251B2
Application number: DE2250251A
Authority: DE
Inventors: Konrad Dipl.-Ing. 6834 Ketsch Abel; Hans Dipl.-Ing.Dr. Siebecker; Guenter Wichmann
Original assignee: Eltro Gesellschaft fur Strahlungstechnik 6900 Heidelberg GmbH
Current assignee: Eltro Gesellschaft fur Strahlungstechnik 6900 Heidelberg GmbH
Priority date: 1972-10-13
Filing date: 1972-10-13
Publication date: 1974-11-21
Also published as: US3862424A; GB1411827A; FR2328184A1; DE2250251C3; FR2328184B1; DE2250251A1; NL7314188A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung turn optronischen Abtasten von Geländeprofilen und Aufzeichnen der Temperaturverteilung von Gelände-Streifen in der Art eines Wärmebildes mit Hilfe einer parallel zur Abtastrichtung angeordneten Detektorteile, deren für unterschiedliche Spektralbereiche ausgelegte Detektorelemente über Koppel- und Verlögerungsglieder miteinander verbunden sind. Diese

werteelektronik sowie einer Registriereinheit mit Filmkassette und ist für Flugzeuge oder Aufklärung*- flugkörper vorgesehen. Sie wird im folgenden als IR-Unescan-Sysiem (IRLS) bezeichnet.

&s4edlRLS-SyetÄmebekaimt,di« mit einem ein* zelneri optoelektronischen Empfangselement arhei* ten. Dte Wärmestrahlung des überflogetten Geländes wird hierbei über einen oder mehrere Planspiegel und einen oder mehrere feste Ablenkspiegel sowie ein LR-ObieWv auf dem optoelektronischen EmpfangseJement fokussiert und über diesen optoelektronischen Wandler in elektrische Signale umgewandelt. S^markten elektrischen Stelle dienen zur HeI-Hgkeitesteuerung einer SperiaÖarope oder einer Ka-Snstrahlröbre, die über eine oder mehrere rotierende Ontiken bzw. einen senkrecht zur Fdmbewe-To SSeStb HelrtronenrtraW das Warmebild des Geländes streifenförmig auf einen Fun: aufzeichnet Hierbei können beispielsweise bei Verwendung eines umlaufenden Vierkatrtprismas bei einer vollen Umdrehung des Prismas vier Geländestreifen nacheinander abgetastet werden. Die Breite eines Geländestreifens ist durch den BiIdwinkel des IR-Obiektivs und die Flughöhe des Aufklärungskörpers, seine Länge durch den Abtastwuikel des Systems gegeben.

Um eine kontinuierliche Aufzeichnung des Geländes zu ermöglichen, müssen bei gegeN-nci Breite des abgetasteten Geländestreifens Rotationsgeschwindigkeit des Spiegelsystems und Fluggeschwindigkeit des Aufklärungsflugkörpei-s über Grund synchron verlaufen. Das hat zur Follge, daß bei Verwendung derartiger IRLS-Systeme in schnellfliegenden Flugkörpern hohe Drehzahlen notwendig werden. Hohe Drehzahlen der rotierenden Spiegel haben jedoch den Nachteil, daß nurtehr wenig Zeit zum Abtasten eines Flächenelementes des Geländestreifens durch die IR-Optik der IRLS-Abtasteinheit verbleibt und damit eine sehr geringe Wärmesixahlungsenergie pro Flächeneinheit auf das Empfangselement auftrifft. Dadurch wird die untere Grenze der noch auflösbaren Temperaturdifferenz des Wärmebildes nach oben verschoben, d. h. mit der Vergrößerung der Abtastgeschwindigkeit verschlechtert sich die Temperaturauf lösung. Aus diesem Gründe und weil das IR-Empfangselement eine endliche Zeitkonstante besitzt, lassen sich mit IRLS-Systeinen, die mit einem einzeinen Empfangselement arbeiten, für schnellfliegende Autklärungskörper keine hohen Temperaturauflösungen der Wärmebilder erzielen, zumal diese in ihrem Gewicht und Volumen stark eingeschränkt sind.

Nach einem aus der deutschen Patentschrift 1623425 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 Zeilenanordnung von π Empfangszellen η Geländestreifen gleichzeitig abgetastet. Gegenüber den mit einem Empfangsclement arbeitenden Verfahren ermöglicht dies eine Reduzierung der Spiegelrotation um den Faktor Vn. Gleichzeitig wird die Verweilzeit pro Flächenelement des Geländestreifens /i-mal größer. Da die Temperaturauflösung proportional der Ve«^Uzeit^t,ka7m_; mit diesem Verfahren e^r^e weseiitlich höhere Timperatiifaufldsung erzielt werden als mit einem mit ituir einer Bmzetempf&iigs* zelle arbeitenden Verfarireft bzw. System. Mit anderen Worten, die Chancen für eiitic gute Aufklärung werden durch dieses Verfahren eirhebüch verbessert.

Bei dem zuletzt beschriebenen Verfahren besitzt die Abtasteintteit einen vorgegebenen Blickwinkel ω und zerlegt das Überflogiine Geländer in quer zur Flugrichtung laufende Streifen, die nacheinander von

r Seite zur anderen abgetastet werden. Da die Gegtreifßn durch ein rotierendes Prismen· oder elsystem abgetastet werden und die Entfernung ~ugkörper zu den einzeln abgetasteten Flächenden des Geländestreifens von der Mittelsteli nach außen zunimmt, vergrößert sieb wegen des nten Blickwinkels ω gleichzeitig die vom Abouät erfaßte Breite des Flachenelements. Der ι Aufnahmegerät bei einer vollen Schwenkbewede* Prismen- oder Spiegelsystems aufgenom- \ Geländestreifen hat deshalb keine rechteckige j, sondern die Form eines in der Mitte schmalen, ι den Enden zu sich verbreiternden Streifens. ►Wenn es möglich wäre, mit Hute einer scbwenkbaj Optik - etwa durch gleichzeitige Veränderung der reite mit dem Abtastwinkel - die Gelände-„ so aufzunehmen, daß sie über ihre ganze _»^j die gleiche Breite haben, so könnte man die Winkelgeschwindigkeit der Schwenkbewegung im Verhältnis zur Geschwindigkeit des Flugkörpers und der Flughöhe so wählen, daß die aufgenommenen Geländestreifen unmittelbar aneinandergre nzen. Da die aufgenommenen Geländestreifen sich jedoch 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 Geländeitreifen j_n der angegebenen Weise auf, so überdecken sie sich teilweise mit den breiteren äußeren Flächenelementen.

Um eine unverzerrte eindeutige Wiedergabe des Wärmebildes auf dem Regjstrierfilm zu erzielen, ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 623 426 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.

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 Randbereichc, wenn keine Maßnahmen zur optischen Korrektur durchgeführt werden, die jedoch das Gerät komplizieren und die Zuverlässigkeit des Systems verschlechtern. Die Verwendung von Detektorzeilenanordnungen ist jedoch bei geometrisch und thermisch hochauflösenden Linescan-Geräten erforderlich, weil die verwendeten Sensoren endliche Zeitkonstanten besitzen bzw. zur Erzielung der höchsten Empfindlichkeit eine bestimmte Verweilzeit erforderlich ist. Diese Verweilzeit kann nur eingehalten werden, wenn man bei Erhöhung von geometrischer Auflösung und Temperaturauflösung mehrere Geländestrcifen über einen ensor gleichzeitig abtastet. Die derzeit gelie-611 üZW. in Entwicklung befindlichen Geräte erlauusu wegen der erforderlichen optischen Korrektur Jeifle Umrüstung vom Einzel- zum Zeilensensor zur Ilthöhuflg der Leistungsfähigkeit Il Schließlich ist in der deutschen Patentschrift 11224275 noch eine weitere Vorrichtung zur Bilderzeugung mit einer mehrteiligen Detektoranordnung l|orgilSchlagefl worden. Sie enthält eine Summierein- ! richtung, die die vuo den einzelnen Detektorelemenien gelieferten Bildsignale mit Hilfe einer Verzöge rungsleitung verzögert; jede ihrer Stufen bostebt aus einer Induktivität und einer Kapazität, Beide Enden der Verzögerungsleitung sind mit einem Wellenwiderstand abgeschlossen. Die Ausgaogssignale der De-

lehrelemente werden einzeln verswirkt und einzeln ausgewählten Eingangsabgriffen der Verzögerungsleitung zugeführt. Wie dies jedoch zu geschehen hat, ist nicht ersichtlich. Auch fehlen nähere Angaben übe* die Verzögerungszeit, wenn man davon absiebt, daß

κ» die von dem gleichen Abschnitt eines Bildes stammenden Signale zeitlich zusammenfallen sollen. Es ist auch nichts darüber ausgesagt, ob und gegebenenfalls wie die VerzögerungsgUeder zu verstellen sind und wie defekte Detektorelemente ohne großen Aufwand

*5 und ohne nennenswerte qualitative Schädigung funktionell eliminiert werden können. Das Fehlen der aufgezählten Maßnahmen kann jedoch in aufgezeigtem Zusammenhang möglicherweise sogar Absicht sein, da hier das Problem in der Schaffung von Rationaliao sierungsmaßnahmen für Wärmebildgeräte besteht.

Aufgabe der Erfindung isx ^ dagegen, für geometrisch und thermisch bochauflöse-ide Linescan-Geräte trotz der für sie spezifischen Sensoren mit endiicher Zeitkonstante die Empfindlichkeit zu verbessern und

*5 die mit Einzelsensoren ausgestatteten Geräte zwecks Steigerung der Leistungsfähigkeit ohne großen Aufwand umrüsten zu können. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Detektorelemente über entsprechend viele elektronische Ringhalter mit den Ver-

zögerungsgliedern verbindbar sind, während der Ringschalter über einen zusätzlichen, synchron umlaufenden Ringschalter mit dem Ausgang verbindbar ist. Auf diese Weise wird die Empfindlichkeit verbessert und ein Totalausfall, wie er beispielsweise bei

Kurzschluß in Einzellengeräten die Regel ist, verhin

dert.

Wegen einer einfacheren Rezlisierung ist es von Vorteil, wenn die variablen Verzöyerungsglieder durch in ihren Aufladestrecken mit Längswiderständen versehene Speicherkondensatoren ersetzt sind, deren Ladung aus mit Verzögerung abfragbaren, von Bildpunkten herrührenden Signalen besteht. Was die Längswiderstände in den Aufladestrecken der Kondensatoren anbetrifft, so ist zu bemerken, daß durch ihre Verwendung eine integrierende Wirkung erzielt wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor. daß die Verzögerungszeit der Verzögerungsglieder und/oder der Detektorzeile an die Abtastgeschwindigkeit des optischen Systems anpaßbar und über einen gemeinsamen Stellmechanismus einstellbar ist. Zweckmäßig ist es ferner, wenn die Verzögerungsglirder eine konstante oder variable Verzögerungszeit besitzen. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der Totalausfall eines Gerätes in der Praxis meist dadurch vermieden werden, daß bei dem am häufigsten auftretenden Störfaktor, nämlich dem Ausfallen eines der Detektorelemente in der Zeile, das elektrische Signal von dem diesem Detektorelement vorausgehenden auf das ihm nachfolgende Element übergeht. '^y

Im folgenden wird an Hand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt

6s Fig. 1 die schematisierte Darstellung zweier Ge* ländestreifen mit einer zur Abtastrichtung dieser Streifen parallel angeordneten Detektorzeile, und Fig. 2 die Detektorzeile gemäßFig. 1, deren ein-

zelne Signale über integrierende Speicher miteinander verbunden sind.

Das votgeschlagene Verfahren verwendet eine Detektorzeilenanordnung 1 mit η Detektoren 4, die senkrecht zur Flugrichtung 2 und parallel zur Abtastrichtung 3 im Bildfeld des lR-Objektivs angeordnet sind (Fig. 1). Die einzelnen Detektoren 4 haben gleiche Abmessungen. An Stelle variabler Verzögerungsglieder finden, da dies einfacher realisierbar ist, Speicherkondensatoren 6' bis 6^VI (Fig. 2) Verwendung, die über mit Schaltkontakten I bis VIl versehene elektronische Ringschalter Ψ bis 7^VI 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 Speieherkondensato* ren 6' und 6^VI sowie die elektronischen Ringschalter T und 7⁷¹ dargestellt.

Zu irgendeinem Zeitpunkt wird der Detektor 4¹ über den elektronischen Ringschalter Ψ mit dem Speicherkondensator 6' 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 Rotationsgeschwindigkeit des Schaltkontaktes von 7¹ erreichen, daß in dem Augenblick, wo der Detektor 4" sich auf dem Bildpunkt 8' befindet, das Signal dieses Detektors über den Ringschalter 7¹ auf den Speicherkondensator 6' gegeben wird und so weiter, bis nach fünf Schaltschritten das Signal des Detektors 4^VI, der sich dann auf dem Bildpunkt 8' befindet, auf den Speicherkondensator 6' gelangt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich auch der synchron laufende Ringschattet 7^V11 auf der Schaltkontaktstellung VI. so daß nun die Summenspannung der Detektoren 4¹ bis 4^U. die vom betrachteten Bildpunkt 8 resultiert, auf dem Ausgang 9 liegt. Hierbei muH noch erwähnt werden, daß in der Aufladestrecke der Kondensatoren in der Zeichnung nicht wiedergegebene Längswiderstände liegen, mit deren

S Hilfe eine integrierende Wirkung erreicht wird.

Zum gleichen Zeitpunkt wo der Detektor 4¹ mit dem Speicherkondensator 6¹ verbunden ist, wird der Speicherkondensator 6^VI. der das Summensignal der Detektoren 4' bis 4^VI für den Bildpunkt 8^VI enthält,

w über den Ringschalter 7^V" auf den Ausgang 9 geschaltet. Die nicht eingezeichneten Speicherkondensatoren 6" bis 6^V liefern die entsprechenden Summensignale der dazwischenliegenden Bildpunkte, die im richtigen Zeitpunkt an den Kontakten 11 bis V am RingschaTter

is 7^V" anstehen.

Nach Beendigung eines jeden Summierungsvor* gangs und dessen Abfrage wird der entsprechende Speicherkondensator über den Schaltkontakt VH an den Ringschaltern T bis 7^VI nach dem entsprechenden

*<» Massepunkt 5" bis S^VI entladen, um für die Integration und Speicherung der Signale des nächsten Bildpunktes vorbereitet /u sein.

Durch geeignete Wahl der Schrittgeschwindigkeit t« es möglich, das Gelände ohne Empfindlichkeits-

^a5 verlust η-mal so schnell abzutasten wie im Falle der Verwendung eines Einzeldetektors, da bei «-Detektoren jeder Bildpunkt auch über die η-fache Zeit detektiert wird und somit keine Bandbreitenvergrößerung stattfindet.

Das gleiche erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch bei sogenannten Wärmcbildgerätcn anwenden die als stationäre Geräte derzeit entweder einen Ein zeldetektor besitzen, der das Bildfeld eines IR-Ob jektivs in zwei Richtungen streifenförmig abtaste

oder aus einer Detcktorzeilenanordnung, bei der di< Zeile parallel zur Abtastrichtung angeordnet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

«ng zum optronische

..... von Geländeprofilen und Aufzeichnen der rrrperaturverteiJung von Geländestreifen in der eines WlrraebUdes mit Hilfe einer parallel zur astrichtung angeordneten Detektorzeile, defür unterschiedliche Spektralbereiche ausge-Detektorelemente über Koppel- und Verzöilieder miteinander verbunden sind, dagekennzeichnet, daß die Detektor-(4¹ bis 4*·) über entsprechend viele Ringschalter (7¹ bis T^) not den > bis ti") verbindbar sind.

zugpr „^

td der Ringschalter (T*¹) über einen zusätzsynchron umlaufenden Ringschalter (7™) dem Ausgang (9) verbindbar ist
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsglie- ^ao der (6¹ bis 6^V:j durch in ihren Aufladestrecken mit Längswiderständen versehene Speicherkondensatoren ersetzt sind, deren Ladung aus mit Verzögerung abfragbaren, von Bildpunkten (8) herrührenden Signalen besteht. ^as
3. Schaltungsanordnung narh Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit der Verzögerungsglieder (6¹ bis 6^) und/oder der Detektorzeile (1) an die Abtastgeschwindigkeit des optischen Systems anpaßbar und über einen gemeinsamen Stellmechanismus einstellbar ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsglieder (6¹ bis 6™) eine konstante oder variable Verzögerungszeit besitzen.
5. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelglieder zwischen den Detektorelementen (4¹ bis 4^") dergestalt aufgebaut sind, daß bei Ausfaii eines der Detektorelemente in der Zeile das elektrische Signal von dem ihm vorausgehenden auf das ihm nachfolgende Detektorelement übergeht.