DE3830577A1 - Digitale abtastung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Erweiterung und Verbesserung eines
Verfahrens und einer Vorrichtung zur Abtastung der Geländeoberfläche
und/oder anderer Objekte quer zur Flug- bzw. Bewegungsrichtung
eines Flugzeuges oder Flugkörpers mit einem Abtaster,
der mehrere, in einer Reihe quer zur Abtastrichtung angeordnete,
gleich große Einzeldetektoren enthält. Ein solches Verfahren und
eine solche Vorrichtung sind in der deutschen Patentanmeldung P
37 31 845.4 "Digitale Abtastung mit entfernungsunabhängiger geometrischer
Auflösung" beschrieben. DieAbtastung quer zur Flugrichtung
mit mehreren, in einer Reihe angeordneten Einzeldetektoren
wird in der Literatur oft als "Whisk-broom"-Verfahren bezeichnet.
Das in dieser o. g. Anmeldung P 37 31 845.4 beschriebene Verfahren
und die entsprechende Vorrichtung benützt weitgehend digitale
Signalverarbeitung. Die zu bildenden Objektpixel werden durch
"Zusammenfassung" diskreter Signale durch einen "Resampling"-
Prozeß erzeugt. Diese Vorgehensweise erfordert einen erheblichen
digital-elektronischen Aufwand und führt zu diskontinuierlichen
Sprüngen und damit zu gewissen Ungenauigkeiten. Auch die Anpassung
der bisher beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens an
veränderliche Flughöhen und Fluggeschwindigkeiten verlangt einen
beträchtlichen Aufwand an digitalen Speichern und Steuerungen.
Eine wesentlihe Verbesserung und Vereinfachung wird erfindungsgemäß
durch die kennzeichnenden Merkmale 1 bis 8 dieses Patentbegehrens
erreicht.
Demgemäß erfolgt die Bildung der Objektpixelsignale durch eine
digitale Steuerung der Abtastperioden Δ t y der à priori analogen,
parallelen Detektorsignale und deren Speicherung in (M) Speichern,
aus denen durch serielles Auslesen ein analoges Zeitensignal
s(t) gebildet wird, das in (n) kontanten Perioden
Δ tx abgetastet und daraus die endgültigen, den Objektpixeln (B)
entsprechenden Signale gebildet werden, wobei die Abtastperioden
Δ t y und Δ t x jeweils Funktionen der Abtastentfernung (E) bzw. der
Flughöhe (h) und des Abtastwinkels (ω) sind. An Hand der Fig. 3,
4 und 5 sind drei Ausführungsbeispiele erläutert.
In der Beschreibung und in den Zeichnungen werden folgende Bezeichnungen
benützt:
Zur Beschreibung der Erfindung dienen die folgenden Zeichnungen.
In ihnen stellen dar:
Fig. 1 einen Querschnitt der Abtastebene,
Fig. 2 eine Abtastebene E max , in die andere Abtastentfernungen
E hinein gedreht sind, und in die auch die entsprechenden
Abtastzeiten eingetragen sind,
Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau der Signalverarbeitung mit
analogen Speichern,
Fig. 4 den prinzipiellen Aufbau der Signalverarbeitung mit
digitalen Speichern,
Fig. 5 den prinzipiellen Aufbau der Signalverarbeitung mit
CCD-Speichern und ihrer Auslesung in Form von "Charge
Coupled Devices" (CCD's),
Fig. 6 das Prinzip der Detektorsignalbildung durch
Integration,
Fig. 7 Prinzip der Zeilensignalbildung und Abtastung.
Es wird, wie in der o. g. Patentanmeldung P 37 31 845.4 beschrieben,
davon ausgegangen, daß die Abtastung mit einer Detektorreihe erfolgt,
deren Projektion auf das überflogene Gelände quer zur Abtastrichtung
und demzufolge in Flugrichtung X liegt (Fig. 1 und
2) und aus einer Anzahl M diskreter Einzeldetektoren (1), D₁ bis
D M besteht (Fig. 3, 4, 5). Die Signale werden parallel und
gleichartig verarbeitet. In entsprechenden Vorverstärkern (2)
werden die eigentlichen Nutzsignale durch Trennung von einem
stets vorhandenen Dunkelsignal erzeugt, bezüglich ihrer Empfindlichkeitsunterschiede
normiert und stehen als Nutzsignalstrom
i(t) zur Verfügung, wobei die Stromstärke i proportional der
Strahlungsintensität des Objektes ist (Fig. 6). Dieser kontinuierlich
fließende Signalstrom i(t) (der durch die Objektstrahlung
moduliert und von einem gewissen Signalrauschen überlagert
ist), wird in Zeitintervallen Δ t y abgetastet und jeweils
einem Speicher S, z. B. einem Kondensator zugeführt (Fig. 3).
Es entstehen dort die Signal-Ladungen
L = i (t) · Δ t y (1)
Δ t y wird als Funktion des Scanwinkels ω des Abtasters gesteuert
und entspricht jeweils einem Winkelinkrement Δω y (siehe Fig. 1).
Δ t y = k y · cos ω
Zu bemerken ist, daß die Signalladungen aufeinanderfolgender Abtastperioden
infolge der unterschiedlichen Integrations- bzw.
Abtastzeiten Δ t y nicht unmittelbar vergleichbar sind, sondern
dementsprechend normiert werden müssen.
Um für die Weiterverarbeitung der M Detektorsignale einer Abtastperiode
Δ t y genügend Zeit zu haben, werden die parallel
anfallenden Signale aufeinanderfolgender Abtastperioden durch
Verteiler (6) (Multiplexer) in mehreren (l) Speicher-Ketten (4),
(5) abgelegt. Es werden mindestens l = 2 gleichartige, parallele
Pufferspeicherketten mit jeweils weiteren Signalverarbeitungsketten
angeordnet, je nach Zeitbedarf.
In den Fig. 3, 4, 5 sind nur zwei Speicherketten (4), (5)
bzw. ( ), ( ) bzw. (), () gezeichnet.
Die Speicher sind folgendermaßen bezeichnet:
Nachdem die letzte Speicherreihe l S₁ . . . l S M gefüllt ist,
sind die Signale der ersten Speicherreihe weiterverarbeitet, und
die Signale der nächsten Abtastperiode können wieder in der
ersten Speicherreihe ₁S₁, ₁S₂ . . . ₁S M abgelegt werden usw.
Statt die Detektorsignale als Strom i(t) jeweils zu einer Ladung
L zu integrieren, können sie auch als Spannungssignale u(t) generiert
und in den digital steuerbaren Abtastperioden Δ t y mit
Sample- und Holdschaltungen (14) abgetastet werden, wie das im
Ausführungsbeispiel der Fig. 4 dargestellt ist.
Eine Normierung bzgl. der Abtastzeit Δ t y erübrigt sich in diesem
Fall.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 werden die Detektorsignale
digital gespeichert. Ihre Digitalisierung findet nach der
Abtastung mit Sample- und Holdschaltern (14) durch Analog-Digitalwandler
(16) statt. Es kann zweckmäßig sein, mehrere Detektorsignale
nacheinander über einen A/D-Wandler zu digitalisieren,
wobei die Zeitfolge von dem Multiplexer (15) gesteuert wird.
Aus den in den analogen oder digitalen M Speichern anstehenden
Signalen einer Abtastperiode Δ t y bzw. einer Speicherreihe
l S₁ . . . l S M wird ein analoges Signal gebildet, das den Strahlungsverlauf
einer Zeile darstellt. Dieses analoge Zeilensignal
s(t) wird ähnlich behandelt wie die einzelnen Detektorsignale.
Ein Zeilensignal wird jeweils in gleichen Abtastperioden Δ t x
abgetastet, wobei Δ t x eine Funktion des Scanwinkels ω und k x
eine Konstante darstellen (Fig. 7).
Δ t x = k x · cos ω (3)
Von jeder Zeile werden mit Sample- und Holdschaltern (11) gemäß
Fig. 3 und 4 oder mit Integratoren (18) gemäß Fig. 5, die die
Zeilensignale s(t) in Perioden Δ t x integrieren, stets n Δ t x -
Perioden abgetastet (Fig. 7). Sie bilden die endgültigen Signale
der Objektpixel B, die zweckmäßig über Analog-Digitalwandler
(12) digitalisiert und in einen Speichermodul (13) abgelegt werden
(Fig. 3, 4, 5).
Die Bildung der analogen Zeilensignale s(t) kann auf verschiedene
Weise erfolgen, jenachdem, ob die Detektorsignale einer Zeile
analog (z. B. in Kondensatoren) oder digital abgespeichert sind.
Um zeitkritischen Problemen zu begegnen, werden, wie bereits angedeutet,
mehrere, mindestens 1=2 Speicher- und Signalverarbeitungsketten
angeordnet, die die Signale aufeinanderfolgender
Zeilen aufnehmen und sie parallel abarbeiten (Fig. 3, 4, 5).
Sind die Detektorsignale einer Zeile analog, z. B. in Kondensatoren
(4) und (5) gespeichert (Fig. 3), so werden diese über
analoge Multiplexschalter (7), (8) nacheinander ausgelesen und
bilden so ein kontinuierliches analoges Zeilensignal s(t) (Fig.
7), wobei die Widerstände R (9) mit den Kondensatoren (4) bzw.
(5) eine gewisse Glättung des Zeilensignals bewirken.
Sind die Detektorsignale digital gespeichert (Fig. 4), so werden
sie ebenfalls über Multiplexer (7), (8) nacheinander ausgelesen
und über Digital-analog-Wandler (17) in analoge Signale s(t) gewandelt
(Fig. 7).
Die Integration der Detektorsignale, ihre Speicherung und die
Bildung der Zeilensignale kann auch in bekannten, sogenannten
"Charge Coupled Devies" (CCD's), (), (), gemäß Fig. 5 erfolgen.
Diese analogen Speicherketten werden mit dem Taktsignal Δ t M
seriell ausgelesen.
Zur Bildung des vollständigen Zeilensignals s(t) sind stets M
gespeicherte Signale aus den l Speicherketten (4) und (5) bzw.
( ) und ( ) bzw. (), () auszulesen. Der Auslesetakt Δ t M ist
konstant, die Gesamtzeit des Zeilensignals s(t) ist somit
T M = M · Δ t M = konstant (4)
Von diesem kompletten Zeilensignal T M wird jeweils ein Zeitabschnitt
Δ T M benötigt, der zur Bildung von n Pixelsignalen B
erforderlich ist (Fig. 7).
Dieser Zeitabschnitt Δ T M darf nicht größer sein als die für die
Weiterverarbeitung eines Zeilensignals zur Verfügung stehende
Zeit. Diese ergibt sich aus dem Abtastintervall Δ t y und der Zahl
l der Pufferspeicher-Reihen (4) und (5) bzw. ( ) und ( ) bzw. ()
und ():
Δ T M ≦ Δ t y · (l-1) (5)
Es ist nun die Taktzeit Δ t M zu ermitteln, mit der die Speicherketten
auszulesen sind. Die kürzeste Detektorperiode
Δ t y min = Δ t₀ entsteht bei der größten Entfernung E max
In diesem Fall sind n Speicher bzw. Pixel auszulesen, d. h., daß
für
gewählt werden muß, daher ist
Aus der Fig. 2 sind weiterhin folgende Beziehungen ablesbar:
B n = n · B x (11)
B M = M · B x (12)
Aus (9) bis (12) erhält man für Δ T M :
und für Δ t x :
Setzt man (4) in (14) ein, so ist mit
Δ t x = Δ t M · k · cos ω (15)
Für die Beispiele der Signalbildung durch Integration der Detektorsignale
gemäß Fig. 3 und 5 erfolgt die Normierung durch die
digital gesteuerten Verstärker (10) mit dem Faktor V y /Δ t y ,
wobei V y eine Verstärkerkonstante darstellt.
Auch im Beispiel nach Fig. 4 könnte die Abtastung der Detektorsignale
durch Integration erfolgen.
Die Abtastung der Zeilensignale s(t) mit dem Abtasttakt Δ t x erfolgt
in den Beispielen nach Fig. 3 und 4 durch Sample- und
Holdschalter (11). In diesem Fall ist keine Normierung erforderlich.
Im Beispiel nach Fig. 5 erfolgt die Zeilenabtastung durch Integration
gemäß Fig. 6 und 7. In diesem Fall ist nach der Integration
des Δ t x -Signals eine Normierung mit einem Faktor V x /Δ t x
durch einen digital gesteuerten Verstärker (19) erforderlich, wobei
V x eine Verstärkerkonstante darstellt.
Im Beispiel nach Fig. 5 könnte die Normierung mit jeweils einem
einzigen Verstärker (19) je Signalkette vorgenommen werden, wobei
der Normierungsfaktor nach
gesteuert werden müßte. Es entfallen dann die Verstärker (10).
In jedem Fall ist bei Signalbildung durch Integration eine Normierung
erforderlich. Sie entfällt bei Sample- und Hold-Abtastung.
Die gesamte Steuerung des zeitlichen Ablaufes erfolgt durch eine
zentrale Steuerung (3), die von entsprechenden Sensoren die Meßdaten
ω, h, v erhält.
Die digitalisierten Objektpixeldaten werden von einem Speicher
(13) aufgenommen und ggf. weiterverarbeitet.
Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich selbstverständlich
variieren und kombinieren.
Die Abtastung durch Integration der Detektor- und Zeilensignale
liefert grundsätzlich bessere Mittelwerte als die Sample- und
Holdabtastung. Es muß im praktischen Fall entschieden werden,
welche Ausführungsform am zweckmäßigsten ist.
Diese erfindungsgemäße Signalauswertung bietet folgende Vorteile:
- 1. Die analoge Detektor- und Zeilensignalbildung und digital gesteuerte Abtastung verbindet den Vorteil der schnellen Signalverarbeitung mit geringem Aufwand und guter Anpassungsfähigkeit an Flughöhe und Geschwindigkeit.
- 2. Diese vorgeschlagene Lösung läßt sich gut als integrierte Schaltung verwirklichen und ermöglicht daher eine relativ große Zahl von Detektorsignalen zu verarbeiten.
- 3. Durch die Anordnung mehrerer l paralleler Verarbeitungsketten kann diese Lösung selbst extremen Anforderungen an die Verarbeitungsgeschwindigkeit genügen.
Claims (8)
1. Verfahren und Vorrichtung zum Abtasten einer Geländeoberfläche
und/oder anderer Objekte quer zur Flug- bzw. Bewegungsrichtung
(X) eines Abtasters mit einem Abtastelement
und einer rechtwinkelig zur Abtastrichtung (Y) angeordneten
Detektorreihe, die mehrere (M) gleich große Einzeldetektoren
(D) enthält und unabhängig von der Abtastentfernung (E) bzw.
des Abtastwinkels (ω) Objektpixel gleicher Größe (B x = B y =
B) gebildet werden, wobei diese Objektpixel (B) stets senkrecht
zum Abtaststrahl stehen und über den gesamten Bereich
einer Abtastung ein regelmäßiges Raster mit konstanter
Objektpixelzahl (n) in der konstanten Breite (B n ) des Abtaststreifens
bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektor-Signale
der (M) Einzeldetektoren durch digitale
Steuerung der Abtastperiode
als Funktion der Abtastentfernung (E) bzw. der Flughöhe (h)
und des Abtastwinkels (ω) und der Winkelgeschwindigkeit ()
des Abtastelements gebildet werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Detektorsignale durch Integration über die Abtastperiode Δ t y
oder durch Sample- und Holdabtastung mit den Abtastperioden
Δ t y gebildet werden.
3. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die (M) Detektorsignale einer Abtastperiode in
(M) Speicherzellen gespeichert, diese Detektor-Signale
nacheinander ausgelesen und daraus ein analoges Zeilensignal
s(t) einer Abtastperiode (Δ t y ) gebildet wird und daß dieses
Zeilensignal s(t) in (n) digital gesteuerten Abtastperioden
(Δ t x ) gleicher Länge abgetastet wird derart, daß diese Abtastperiode
Δ t x der Objektpixelgröße B x = B y = B entspricht
und die Abtastperiode (Δ t x ) eines Zeilensignals s(t) jeweils
eine Funktion der Abtastentfernung (E) bzw. der Flughöhe (h)
und des Abtastwinkels (ω) ist gemäß
wobei k x eine Konstante darstellt, die die Auslesegeschwindigkeit
des Zeilensignals s(t) bestimmt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
diese (M) Speicherzellen als Kondensatoren ausgebildet und
über Analogschalter nacheinander ausgelesen werden und das
Zeilensignal s(t) bilden.
5. Vorrichtung nach Aspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
diese (M) Speicherzellen als an sich bekannte "Charge
Coupled Devices" (CCD's) ausgebildet und die Detektorsignale
seriell ausgegeben werden und das Zeilensignal s(t) bilden.
6. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die analogen Detektorsignale digitalisiert und
digital abgespeichert werden, daß diese Speicher nacheinander
ausgelesen und über einen Digital-Analogwandler
in ein analoges Zeilensignal s(t) gewandelt und mit
der Abtastperiode Δ t x abgetastet werden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
analoge Zeilensignal s(t) entweder durch Integration oder
durch Sample- und Hold-Schalter abgetastet und daraus die
endgültigen, den Objektpixeln (B) entsprechenden Signale
gebildet werden.
8. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere (l) Speicherketten mit jeweils
anschließender Auslesevorrichtung für die Bildung der Zeilensignale
s(t) und Abtastung zur Bildung der Objektpixelsignale
vorgesehen sind, so daß die Verarbeitung der
Detektorsignale in (l) parallelen Signalketten erfolgt.
Priority Applications (4)
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Publications (3)
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DE3830577C3 DE3830577C3 (de) | 1995-02-23 |
Family
ID=6362556
Family Applications (1)
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DE19883830577 Expired - Fee Related DE3830577C3 (de) | 1987-09-22 | 1988-09-08 | Digitale Abtastung |
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8366 | Restricted maintained after opposition proceedings | ||
8305 | Restricted maintenance of patent after opposition | ||
D4 | Patent maintained restricted | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DAIMLER-BENZ AEROSPACE AKTIENGESELLSCHAFT, 80804 M |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: LFK LENKFLUGKOERPERSYSTEME GMBH, 81669 MUENCHEN, D |
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |