DE3830577C2

DE3830577C2 -

Info

Publication number: DE3830577C2
Application number: DE19883830577
Authority: DE
Inventors: Otto Dr.-Ing. 8011 Kirchstockach De Hofmann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: LFK Lenkflugkoerpersysteme GmbH
Priority date: 1988-09-08
Filing date: 1988-09-08
Publication date: 1991-12-05
Anticipated expiration: 2008-09-09
Also published as: DE3830577C3; DE3830577A1

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. Die Abtastung 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.

Aus Proceedings of the IEEE, Vol. 66, No. 5, May 1978, Seiten 563-583, ist ebenfalls ein Abtastverfahren bekannt, bei dem zum Beispiel die Erdoberfläche von einem Satelliten mit Hilfe eines Radargerätes mit synthetischer Apertur abgetastet wird. Bei diesem Verfahren ist jedoch keine Anpassung der Signalverarbeitung an die Flughöhe und/oder die Geschwindigkeit des radartragenden Flugkörpers vorgesehen.

Eine Erweiterung eines derartigen Abtastverfahrens zum Darstellen der Erdoberfläche von einem Satelliten aus ist in der Zeitschrift Spektrum der Wissenschaft, Febr. 1983, Seiten 52- 63, beschrieben. Auch bei diesem Verfahren wird die Erdoberfläche mit einem Radargerät abgetastet, das eine synthetische Apertur verwendet. Die Auflösung des Radargerätes hängt hierbei vom Verhältnis der Wellenlänge des Radargerätes zum Durchmesser der Apertur ab und ist also umso geringer, je weiter der Satellit von der Erde entfernt ist. Durch die Verwendung einer synthetischen Apertur, die ein Abtasten der Erdoberfläche unter einem schiefen Blickwinkel voraussetzt, kann dieses Auflösungsvermögen entsprechend verbessert werden. Dies ist jedoch an das spezielle Abtastverfahren gebunden und kann für herkömmliche Verfahren nicht übernommen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für das in Rede stehende Abtastverfahren und eine Vorrichtung eine schnelle Signalverarbeitung mit geringem Aufwand und guter Anpassungsfähigkeit an Flughöhe und Geschwindigkeit anzugeben.

Diese Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 enthalten.

Gemäß der Erfindung erfolgt die Bildung der Objektpixelsignale durch eine digitale Steuerung der Abtastperioden Δt_y der a 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) konstanten Perioden Δt_x abgetastet und daraus die endgültigen, den Objektpixeln (B) entsprechenden Signale gebildet werden, wobei die Abtastperioden Δt_y und Δt_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 Δt_y abgetastet und jeweils einem Speicher S, z. B. einem Kondensator zugeführt (Fig. 3). Es entstehen dort die Signal-Ladungen

L = i (t) · Δt_y (1)

Δ t_y wird als Funktion des Scanwinkels ω des Abtasters gesteuert und entspricht jeweils einem Winkelinkrement Δω_y (siehe Fig. 1).

Zu bemerken ist, daß die Signalladungen aufeinanderfolgender Abtastperioden infolge der unterschiedlichen Integrations- bzw. Abtastzeiten Δt_y nicht unmittelbar vergleichbar sind, sondern dementsprechend normiert werden müssen.

Um für die Weiterverarbeitung der M Detektorsignale einer Abtastperiode Δt_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 _lS₁ . . . _lS_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 Δt_y mit Sample- und Holdschaltungen (14) abgetastet werden, wie das im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 dargestellt ist.

Eine Normierung bzgl. der Abtastzeit Δt_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 Δt_y bzw. einer Speicherreihe _lS₁ . . . _lS_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 Δt_x abgetastet, wobei Δt_x eine Funktion des Scanwinkels ω und k_x eine Konstante darstellen (Fig. 7).

Δt_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 Δt_x integrieren, stets n Δt_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, je nachdem, 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 l=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 Δt_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 Δt_M ist konstant, die Gesamtzeit des Zeilensignals s(t) ist somit

T_M = M · Δt_M = konstant (4)

Von diesem kompletten Zeilensignal T_M wird jeweils ein Zeitabschnitt ΔT_M benötigt, der zur Bildung von n Pixelsignalen B erforderlich ist (Fig. 7).

Dieser Zeitabschnitt ΔT_M darf nicht größer sein als die für die Weiterverarbeitung eines Zeilensignals zur Verfügung stehende Zeit. Diese ergibt sich aus dem Abtastintervall Δt_y und der Zahl l der Pufferspeicher-Reihen (4) und (5) bzw. ( ) und ( ) bzw. () und ():

ΔT_M ≦ Δt_y · (l-1) (5)

Es ist nun die Taktzeit Δt_M zu ermitteln, mit der die Speicherketten auszulesen sind. Die kürzeste Detektorperiode Δt_{y min} = Δt₀ 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 ΔT_M:

und für Δt_x:

Setzt man (4) in (14) ein, so ist mit

Δt_x = Δt_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/Δt_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 Δt_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 Δt_x-Signals eine Normierung mit einem Faktor V_x/Δt_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

1. Verfahren und Vorrichtung zum Abtasten einer Geländeober fläche 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 senk recht 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 Δt_y oder durch Sample und Holdabtastung mit den Abtastperioden Δt_y gebildet werden.

3. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die (M) Detektorsignale einer Abtastperiode in (M) Speicherzellen gespeichert, diese Detektor-Signale nacheinander ausgelesen und daraus ein analoges Zeilensignal s(t) einer Abtastperiode (Δt_y) gebildet wird und daß dieses Zeilensignal s(t) in (n) digital gesteuerten Abtastperioden (Δt_x) gleicher Länge abgetastet wird derart, daß diese Abtastperiode Δt_x der Objektpixelgröße B_x=B_y=B entspricht und die Abtastperiode (Δt_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 Auslesegeschwin digkeit 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 gekenn zeichnet, daß die analogen Detektorsignale digitalisiert und digital abgespeichert werden, daß diese Speicher nachein ander ausgelesen und über einen Digital-Analog wandler in ein analoges Zeilensignal s(t) gewandelt und mit der Abtastperiode Δt_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 Objekt pixelsignale vorgesehen sind, so daß die Verarbeitung der Detektorsignale in (l) parallelen Signalketten erfolgt.