DE3432469C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Detektion und Positionsbe
stimmung eines Objektes mit einem aus mindestens einer Zeile von Detek
torelementen bestehenden optoelektronischen Detektor, mit einer Auslese
elektronik, mittels welcher die Detektorelemente zeilenweise sukzessive
ausgelesen werden, wobei die Signalinhalte zumindest eines Teiles der
Detektorelemente gespeichert werden.
Aus der DE-OS 24 43 791 ist ein aus Detektorelementen bestehender opto
elektrischer Detektor bekannt, der derart ausgelesen wird, daß aus den
Signalinhalten der innerhalb eines verschiebbaren Fensters gelegenen De
tektorelemente fortlaufend Summensignale gebildet werden. Das Fenster
wird dabei durch eine Marke erzeugt, die mehrere nebeneinandergelegene
Detektorelemente beleuchtet bzw. abschattet. Die Marke wird mittels
optischer Mittel erzeugt und auf mechanische Weise über den Detektor
geführt. Dabei stellt die Marke selbst das zu detektierende "Objekt" dar
und korrespondiert durch geeignete optische Mittel mit einem Bildpunkt
auf einer Vorlage.
Zur Signalverarbeitung werden nur die Signale solcher Detektorelemente
herangezogen, die 50% der (konstanten) Ausleuchtung überschreiten. Die
Signalauswertung geschieht dabei nur als ja/nein-Aussage und die Positi
onsauswertung nur durch Auszählen der beleuchteten Bildelemente. Die
Positionsbestimmung kann dabei nie genauer als ±1 Detektorelement
sein. Eine Änderung der Fensterbreite ist bei dieser bekannten Einrich
tung nicht vorgesehen und wäre nur durch eine konstruktive Veränderung
der Marke möglich. Es wird auch vorausgesetzt, daß die Marke bei der
Positionserfassung ruht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung
der obengenannten Art zu schaffen, mittels welcher
die Detektion lichtschwacher Objekte, insbesondere bewegter Objekte, er
möglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung geht davon aus, daß die Empfindlichkeit eines optoelektri
schen Detektors, also die Unterscheidbarkeit eines Nutzsignals von dem
Rauschsignal gesteigert werden kann, wenn die Signalinhalte mehrerer,
nebeneinander liegender und von einem Objekt beleuchteter Detektorele
mente aufaddiert werden. Betrachtet man beispielsweise als Signaleinheit
die in einem Detektorelement eines CCDs erzeugte Ladung, so wächst die
Gesamtladung aufgrund des Fotoeffektes bei Addition über n- Detektorele
mente linear, die Gesamtladung aufgrund des Rauschens jedoch nur mit
ν n. Die Erfindung ermöglicht nun, daß die Signalinhalte mehrerer,
innerhalb eines Fensters gelegener Detektorelemente aufaddiert werden,
wobei das Fenster schrittweise über eine Detektorzeile geschoben wird.
Ein Optimum an Empfindlichkeit erhält man, wenn nur diejenigen nebenein
anderliegenden Detektorelemente für die Addition herangezogen werden,
die für die Dauer der Belichtungszeit (= Reziprokwert der Ausleserate)
von dem zu detektierenden Objekt erfaßt werden, d. h., wenn die Breite
des Fensters der Größe der Abbildung des Objektes während der Belich
tungszeit entspricht. Ist die Fensterbreite größer, werden mehr Rausch
signale hinzuaddiert, ohne Erhöhung des Nutzsignals; ist das Fenster
kleiner als die abgebildete Objektbreite, so verliert man für die Addi
tion brauchbare Nutzsignale.
Es ist daher wichtig, daß mit der erfindungsgemäßen Einrichtung
die oben erwähnte Fensterbreite leicht variiert werden
kann. Dies
geschieht vorteilhafterweise durch die Verwendung eines
im folgenden noch näher beschriebenen FIFO-Speichers.
Da sich weiterhin das für eine bestimmte Position eines
Detektorelementes ergebene Signal aus der Summe der Si
gnale ergibt, die sich innerhalb des vorgegebenen Fen
sters (Zeilenabschnittes) liegen, müßte beim Weiter
schieben des Fensters jedesmal aufs Neue dieser Addi
tionsvorgang ablaufen. Die erfindungsgemäße Einrichtung
vereinfacht dieses Weiterschieben des Fensters, d. h.
also das Auslesen des Detektors dadurch, daß das je
weils neue Summensignal von dem vorangehenden Summen
signal ausgeht, dem lediglich der Signalinhalt des in
Abtastrichtung vor dem ursprünglich betrachteten Fen
sters stehenden Detektorelementes zuaddiert und der Si
gnalinhalt des letzten Detektorelementes innerhalb des
Fensters davon subtrahiert wird. Würde beispielsweise
das Fenster einen Zeilenabschnitt von 8 Detektorelemen
ten umfassen, und würde die Ausleserate für das ein
zelne Detektorelement z. B. 1 MHz betragen, so wäre bei
jeweils erneuter Summenbildung eine Rechengeschwindig
keit von 8 MHz bzw. 125 ns erforderlich; da sich der
Rechenaufwand pro Abtastschritt
auf nur zwei Operationen beschränkt,
wird eine Rechengeschwindigkeit von 2 MHz bzw. 0,5
µsec benötigt. Auch zur Durchführung dieser
Operation ist der oben erwähnte FIFO-Speicher besonders
geeignet, was im folgenden anhand der Ausführungs
beispiele noch näher erläutert wird.
Von den im folgenden beschriebenen Figuren zeigen im
einzelnen
Fig. 1 den schematischen Aufbau eines optoelektrischen
Detektors mit in m- Zeilen und n- Spalten
angeordneten Detektorelementen,
Fig. 2a + b den Signalverlauf längs einer Detektorzeile
eines, während der Belichtungszeit unbewegten
und bewegten leuchtenden Objektes bei
Einzelauswertung der Detektorelemente,
Fig. 3 den Signalverlauf eines während der
Belichtungszeit bewegten Objektes bei Auslesen
der Detektorelemente,
Fig. 4 ein Blockschaltbild der Einrichtung
unter Verwendung eines Multiplexers,
Fig. 5 ein Zeitdiagramm,
Fig. 6 ein Blockschaltbild für eine Einrichtung
unter Verwendung eines Datenbus-Systems.
Fig. 1 zeigt in schematischer Weise den Aufbau des
lichtempfindlichen Teiles eines optoelektrischen Detek
tors, beispielsweise eines CCDs (Charge-Coupled
Device), bei dem die einzelnen Detektorelemente in
m- Zeilen und n- Spalten angeordnet sind. Die Anzahl
der Detektorelemente pro Zeile bzw. Spalte beträgt
typischerweise 256. Die durch Fotoeffekt aber auch
durch Rauschen erzeugte Ladung q i eines Detektorele
mentes mit den Koordinaten x i und y j wird zeilen
weise sukzessive in einer, in der CCD-Technik bekannten
Weise abgefragt, verstärkt und in ein digitales Signal
umgewandelt.
Für den Fall, daß mit einem derartigen Detektor in
einem Satelliten beispielsweise die Position eines
lichtschwachen Sternes ermittelt werden soll, ist es
von Bedeutung, ob sich während der Belichtungszeit
eines Detektorelementes der darauf abgebildete Stern
verschiebt. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn
die Belichtungszeit sehr lange dauert oder wenn sich
der Satellit zusammen mit dem Detektor um eine Spin
achse dreht. In Fig. 2a ist der Signalverlauf bei Ein
zelauslese der Detektorelemente in der Zeile y i dar
gestellt, wenn sich der Stern bzw. der auf dem Detektor
abgebildete Lichtfleck nicht bewegt. Der Auslesezyklus,
d. h. also die Belichtungszeit pro Detektorelement, ist
hier so gewählt, daß die Ladung q i des von dem Licht
fleck voll getroffenen Detektorelementes deutlich über
der durch Rauschen hervorgerufenen Ladung q R liegt.
Würde sich nun gemäß Fig. 2b der Lichtfleck während der
Belichtungszeit bewegen, und zwar, wie im dargestellten
Falle, in der Ausleserichtung, so würde bei gleicher
Auslesegeschwindigkeit wie bei Fig. 2a die durch den
Fotoeffekt entstehende Ladung auf mehrere, neben
einanderliegende Detektorelemente gleichmäßig verteilt
und die jeweilige Ladung q i eines Detektorelementes
würde erheblich unter dem Rauschsignal q R liegen.
Werden jedoch
die Ladungen innerhalb eines Zeilenabschnit
tes aufaddiert, welcher aus jeweils exakt so vielen
Detektorelementen besteht, wie während der Belichtungs
zeit von dem Lichtfleck erfaßt werden, so kommt an
stelle des in Fig. 2b dargestellten Signalverlaufs der
in Fig. 3 dargestellte zustande, wobei das Maximum
dieses Signalverlaufs das Rauschsignal q R nun deut
lich übersteigt.
Der Auslesevorgang selbst wird anhand der Fig. 1 näher
erläutert: Jedem Detektorelement mit den Koordinaten
y j und x i wird ein Summensignal Q i zugeordnet,
welches sich aus der Summe der Ladungen q i-w bis q i
der Detektorelemente mit den Koordinaten y j und
x i-w bis x i zusammensetzt. Das Summensignal Q i
beinhaltet somit die Signalinhalte von w nebeneinander
liegenden Detektorelementen, also eines Zeilenabschnit
tes der Weite w mal Größe eines Detektorelementes. Das
Summensignal Q i wird zum einen für den weiteren Aus
lesevorgang zwischengespeichert, zum anderen als Aus
lesesignal für eine weitere Signalverarbeitung, z. B.
für die Ermittlung des Bildmittelpunktes der Strah
lungsquelle an eine, in diesem Zusammenhang nicht mehr
interessierende Elektronik weitergegeben.
Der nächste Abtastschritt, also die Bildung des nächst
folgenden Summensignals Q i + 1 für das Detektorelement
mit den Koordinaten y i und x i + 1 geschieht dadurch,
daß von dem gespeicherten Summensignal Q i der
Signalinhalt q i-w des am linken Rand des zuvor er
faßten Zeilenabschnittes befindlichen Detektorelementes
mit den Koordinaten y j und x i-w subtrahiert und
weiterhin der Signalinhalt q i + 1 des vor dem rechten
Rand des Zeilenabschnittes befindlichen Detektor
elementes mit den Koordinaten y j und x i + 1 hinzuad
diert. Der Zeilenabschnitt mit dem Summensignal Q i + 1
ist damit gegenüber dem Zeilenabschnitt mit dem Sum
mensignal Q i um den Abstand eines Detektorelementes
nach rechts gerückt und beinhaltet wiederum die gleiche
Anzahl w von Detektorelementen. Das neue Summensignal
Q i + 1 wird nun anstelle des vorhergehenden Summensi
gnals Q i wiederum zwischengespeichert bzw. zur weite
ren Verarbeitung weitergegeben, wobei der zwischen
gespeicherte Wert für den nächsten Abtastschritt, also
zur Bildung des nächsten Summensignals Q i + 2 zur
Verfügung steht, usw. Auf diese Weise wird der
Detektor Zeile für Zeile sukzessive ausgelesen.
In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild für eine elektro
nische Schaltung dargestellt, mit der sich das oben be
schriebene Ausleseverfahren durchführen läßt. Die von
einem gemäß Fig. 1 aufgebauten Detektor, z. B. einem
CCD, gelieferten Signale werden im Takt einer an sich
bekannten Kontrollelektronik CONTROL, einem Vorverstär
ker AMP zugeführt und in einem Analog-
Digital-Wandler A/D digitalisiert. Diese Bauteile sind
aus der Bildaufnahmetechnik auf CCD-Basis bekannt.
Am Ausgang des Analog-Digital-
Wandlers A/D liegen dann seriell die digitalisierten
Signalinhalte q i der Detektorelemente an. Das Signal
q i wird einmal auf den Eingang M 2 eines Multi
plexers MUX 1 und zum anderen über den Eingang M 1
eines weiteren Multiplexers MUX 2 auf den Eingang eines
FIFO-Speichers gegeben. Am Eingang M 2 des Multi
plexers MUX 2 liegt der Festwert "0" an.
Der Ausgang des FIFO-Speichers ist mit einem wei
teren Eingang M 1 des Multiplexers MUX 1 verbunden.
Der Ausgang des Multiplexers MUX 1 liegt auf einem Ein
gang A eines Addier- bzw. Subtrahiergliedes ALU
(= Arithmetic Logic Unit, im weiteren Rechenwerk ge
nannt), z. B. vom Typ SN 54181. Der zweite Eingang B des
Rechenwerkes ALU ist mit dem Ausgang O eines Zwischen
speichers ACCU, z. B. vom Typ SN 54194 verbunden. Der
Eingang I des Zwischenspeichers ACCU ist mit dem
Ausgang Z des Rechenwerkes ALU verbunden.
Die vorbeschriebenen Bauteile MUX 1, MUX 2, FIFO, ALU
und ACCU besitzen Takt- bzw. Steuereingänge, die mit
der Kontrollelektronik CONTROL verbunden sind, wobei
der Ablauf dieser Takt- und Steuersignale aus dem
Zeitdiagramm gemäß Fig. 5 sowie aus der folgenden Funk
tionsbeschreibung hervorgeht:
Vor Beginn des Abfragevorganges jeder Zeile y j wird
im Zeilenrücklauf (sh. Fig. 5) der Inhalt des Zwi
schenspeichers ACCU mittels des als Reset-Signal ver
wendeten Steuersignals S 2 gelöscht. Ebenfalls im Zei
lenrücklauf wird der Multiplexer MUX 2 so angesteuert,
daß über einen Schreibtakt Φ w für die Dauer S 2 =
H der Festwert "0" so oft in den FIFO-Speicher ein
geschrieben wird, wie der zukünftig zu betrachtende
Zeilenabschnitt lang sein soll, also die Anzahl w der
für ein Summensignal herangezogenen Detektorelemente.
Mit dem Zeilenstart erfolgt die Auslese der Detektor
elemente x, einer Zeile y j mit dem Kameratakt Φ.
Die Verarbeitung jedes Detektorelementes x i dieser
Zeile benötigt zwei Takte: Mit dem ersten Takt wird der
Signalinhalt q i mit einem Schreibtakt Φ w in den
FIFO-Speicher geschrieben und gleichzeitig über den
Multiplexer MUX 1 und das Rechenwerk ALU mit einem Takt
Φ A zum jeweiligen Inhalt des Zwischenspeichers ACCU
hinzuaddiert. Mit einem zweiten Takt wird der jeweils
zuerst im FIFO-Speicher gespeicherte Wert mittels
eines Lesetaktes Φ R selektiert und über den ent
sprechend vom Signal S 1 angesteuerten Multiplexer MUX
1 im gleichzeitig vom Signal Φ A entsprechend ange
steuerten Rechenwerk ALU vom Inhlt des Speichers ACCU
subtrahiert. Das Resultat liegt am Ausgang Z des
Rechenwerkes ALU an, von wo es wiederum mittels des
Signals Φ A in den Zwischenspeicher ACCU
transferiert wird und dem jeweiligen Summensignal Q i
entspricht.
Wie man leicht erkennt, werden am Anfang jeder Zeile
die Signalinhalte der ersten w Detektorelemente ledig
lich aufaddiert, da die ersten w Signale, die im FIFO
gespeichert sind, als Null vorgegeben waren. Erst mit
i ϕ w wird ein im FIFO gespeicherter Signalinhalt eines
Detektorelementes bei der Bildung eines Summensignals
Q i von einem vorher gespeicherten Summensignal Q i -1
subtrahiert und damit das komplette Fenster (Zeilen
abschnitt mit w Detektorelementen) um einen Schritt
weitergeschoben.
Fig. 6 zeigt eine Modifizierung der Schaltung gemäß
Fig. 4, bei der anstelle der Multiplexer ein Datenbus
system verwendet wird. Außerdem ist ein Register REG
vorgesehen, in dem ein Schwellenwert Q S gespeichert
ist. Die Signalinhalte q i der Detektorelemente sowie
der Festwert "0" werden über Bustreiberstufen BT mit
sog. 3-state-Ausgängen, z. B. vom Typ SN 54368, auf
einen mit dem Eingang A des Rechenwerkes ALU verbunde
nen Datenbus DBS gegeben. Ebenso sind Ein- und Ausgang
des FIFO-Speichers sowie des Registers REG, welcher
beispielsweise vom Typ SN 54194 ist, mit dem Datenbus
verbunden. Die Ansteuerung der 3-state-Ausgänge der
Bauteile BT, REG und FIFO geschieht über eine Kontroll
elektronik CONTROL bzw. über einen Decoder DEC, z. B.
vom Typ SN 54138, in der oben beschriebenen Reihen
folge. Zu Beginn des Auslesevorganges einer neuen Zeile
y j wird wiederum der Zwischenspeicher ACCU gelöscht.
Dann wird in einem Zwischentakt der im Register REG
gespeicherte Wert Q S vom Inhalt des Zwischenspeichers
ACCU subtrahiert und das Ergebnis wieder in den Zwi
schenspeicher ACCU eingegeben; im Zwischenspeicher ACCU
steht nun ein negativer Wert von der Größe des vorgege
benen Schwellwertes Q S . Daraufhin wird der Festwert
"0" in der vorgesehenen Anzahl w in den FIFO-Speicher
eingeschrieben, analog zu dem in Fig. 4 beschriebenen
Vorgang. Auch die Aufsummierung der seriell anliegenden
Signalinhalte q i der Detektorelemente erfolgt in
gleicher Weise wie unter Fig. 4 beschrieben wurde. Da
jedoch nun im Zwischenspeicher ACCU ein negativer Wert
vorgegeben wurde, ist auch das Ausgangssignal des
Rechenwerkes ALU solange negativ, solange das laufende
Summensignal Q i den Schwellwert Q S nicht über
schreitet. Dies äußert sich darin, daß das bei einem
Rechenwerk ALU vom Typ SN 54181 abgreifbare Vor
zeichenbit einen negativen Wert anzeigt. Zur Weiter
verarbeitung werden nur solche Summensignale Q i
herangezogen, die ein positives Vorzeichen aufweisen.
Da jedoch die am Ausgang des Rechenwerkes ALU anliegen
den Summensignale Q i um den Schwellwert Q S redu
ziert sind, ist es zur Weiterverarbeitung zweckmäßig,
den Schwellwert Q S wieder hinzuzuaddieren. Dies kann
mit der vorhandenen Schaltung ebenfalls geschehen, wenn
der Schwellwert Q S und der Inhalt des Zwischen
speichers ACCU addiert werden, ohne daß der Zwischen
speicher getaktet wird.
Claims (6)
1. Einrichtung zur Detektion und Positionsbestimmung eines Objektes
mit einem aus mindestens einer Zeile von Detektorelementen bestehenden
optoelektronischen Detektor, mit einer Ausleseelektronik, mittels
welcher die Detektorelemente zeilenweise sukzessive ausgelesen werden,
wobei die Signalinhalte zumindest eines Teiles der Detektorelemente
gespeichert werden, gekennzeichnet durch
- a) einen Zwischenspeicher (FIFO), der die Signalinhalte q i einer vorgegebenen Anzahl w von Detektorelementen (y j , x i-w bis x i ), welche einen Zeilenabschnitt vorgegebener Länge bilden, fortlaufend speichert,
- b) ein Rechenwerk (ALU) zur Bildung eines laufenden Summensignals Q i aus den Signalinhalten q i des Zeilenabschnittes sowie
- c) einen Speicher (ACCU) für das Summensignal Q i und dadurch gekennzeichnet, daß
- d) das Rechenwerk (ALU) zum Zwecke des sukzessiven Auslesens und zur Bildung eines nächstfolgenden Summensignals Q i + 1 dem Summensignal Q i aus dem Speicher (ACCU) den Signalinhalt q i +1 des jeweils vor dem Zeilenabschnitt stehenden Detektorelementes (y j , x i +1) zu addiert und den Signalinhalt q i-w des jeweils letzten Detektorele mentes (y j , x (i-w)≧0) des Zeilenabschnittes aus dem Zwi schenspeicher (FIFO) subtrahiert.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Rechenwerk (ALU) das laufende Summensignal Q 1 mit einem vorgegebenen
Schwellwert Q S vergleicht.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schwellwert Q S im Speicher (ACCU) als negatives bzw. positives Signal
gespeichert und im Rechenwerk (ALU) zur Bildung des ersten Summensignals
Q i = 1 dem Signalinhalt q i = 1 des ersten Detektorelementes (y j ,
x i = 1) einer Zeile zuaddiert bzw. davon subtrahiert wird.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet
durch einen mit einem Eingang (A) des Rechenwerkes (ALU) verbundenen
Multiplexer (MUX 1), einen ausgangsseitig mit dem ersten Eingang (M 1)
des Multiplexers (MUX 1) verbundenen FIFO-Speicher (First-in-First-Out
Memory) als Zwischenspeicher sowie den eingangsseitig (I) mit einem
Ausgang (Z) des Rechenwerkes (ALU) verbunden Speicher (ACCU) und gekennzeichnet dadurch, daß
der jeweilige digitalisierte Signalinhalt q i der Detektorelemente
(y j , x i ) sowohl an einem zweiten Eingang (M 2) des Multiplexers
(MUX 1) als auch an dem Eingang des FIFO-Speichers anliegt.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet
durch ein mit einem Eingang (A) des Rechenwerkes
(ALU) verbundenes Datenbussystem (DBS), an dem über 3-state-Ausgänge der
von dem Datenbussystem (DBS) gespeiste FIFO-Speicher, ein Schwellenre
gister (REG), der Festwert "0" und der digitalisierte Signalinhalt q i
der Detektorelemente anliegen, und dem eingangsseitig (I) mit dem Ausgang
(Z) des Rechenwerkes (ALU) und ausgangsseitig (O) mit einem Eingang (B)
des Rechenwerkes (ALU) verbundenen Speicher (ACCU).
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch ein mit
einem dritten Eingang des Multiplexers (MUX 1) oder dem Datenbussystem
(DBS) verbundenes Schwellenregister (REG).
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