DE69512822T2

DE69512822T2 - Architektur für fixierende Fokalebenenmatrix von Mehrfachanwendungen

Info

Publication number: DE69512822T2
Application number: DE69512822T
Authority: DE
Inventors: Christopher L. Mears; Terence J. Murphy
Original assignee: Raytheon TI Systems Inc
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1994-04-19
Filing date: 1995-04-19
Publication date: 2000-05-18
Anticipated expiration: 2015-04-20
Also published as: IL113426A0; IL113426A; US5430294A; EP0678756A1; JP3630760B2; JPH0865562A; EP0678756B1; DE69512822D1; KR950033797A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Infrarot-Brennebenen- Beobachtungsmatrix, die mehrere Anwendungen zuläßt, und genauer auf eine neue Architektur für derartige Brennebenen- Beobachtungsmatrizen.

KURZBESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Brennebenen-Beobachtungsmatrizen bestehen allgemein (siehe z. B. US-A-3 806 729) aus einer Matrix aus mehreren Detektorelementen, wobei jedem Detektorelement eine Schaltung mit einem Kondensator zugeordnet ist, der proportional zur Menge der darauf auftreffenden Energie geladen wird. Die Signale, die die Ladungen auf jedem der Kondensatoren in der Matrix angeben, werden allgemein in serieller Weise ausgelesen, so daß ein Detektorelement ausgelesen wird, während der dem nächsten Detektorelement zugeordnete Kondensator aufgeladen wird. Hierauf werden die Kondensatoren wieder gemäß der Menge der auf sie auftreffenden Energie geladen und später ausgelesen. Dieses Verfahren wird im allgemeinen auf zeitgesteuerter Grundlage wiederholt. Die Ausgangssignale von den Kondensatoren sind somit nicht gleichzeitig verfügbar oder nicht derart verfügbar, daß die Signale von vorgegebenen Detektoren nur in einer vorgegebenen Weise für eine Operation an diesen Signalen ausgewählt werden können.
Für fortgeschrittene Anwendungen von Brennebenen-Beobachtungsmatrizen sind mehrere Merkmale wünschenswert. Bei verringerten Datenraten ist die Fähigkeit vorteilhaft, nur einen Teilbereich der Brennebenenmatrix oder nur bestimmte Detektoren der Brennebenenmatrix "als Fenster auszuschneiden" oder auszugeben. Das Ausschneiden mehrerer Fenster oder die Fähigkeit zur Ausgabe mehrerer Teilbereiche der Matrix auf Anforderung ist vorteilhaft zum Verfolgen mehrerer Ziele in einem großen Blickfeld. Ein weiteres wünschenswertes Merkmal ist das elektronische Entzoomen zum Verringern der Datenraten bei großen Zielen. Das elektronische Entzoomen verbindet benachbarte Detektoren zu einem einzigen Detektor. Das heißt, daß für ein 2 : 1-Entzoomen vier Detektoren zu einem einzigen Detektor verbunden werden. Eine 256 · 256-Matrix wird zu einer 128 · 128-Matrix. Für Raketensucher und für weitere Anwendungen ist es wünschenswert, diese Merkmale nach Belieben zu ändern, so daß sich der Sensor an das vorliegende Szenarium anpassen kann. Für langweilige Infrarotanwendungen ist ein hoher Dynamikbereich erforderlich, d. h., für jeden Detektor ist eine große Ladungsspeicherkapazität erforderlich. Einige Anwendungen erfordern, daß zum Ermöglichen einer genauen Verfolgung und Lokalisierung von Zielen die Signale von sämtlichen Detektoren integriert und gleichzeitig abgetastet werden. Diese Betriebsart wird typischerweise als eine Schnappschuß-Betriebsart bezeichnet. Weitere Anwendungen ermöglichen ein Abtasten der Detektorsignale zu verschiedenen Zeiten. Typischerweise wird dies durch Staffeln der Abtastung über die Matrix, die eine elektronische Abtastung der Detektoren ausführt, durchgeführt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine einzige Architektur geschaffen, die mehrere Betriebsarten einschließlich sämtlicher der obenbeschriebenen Betriebsarten unterstützen kann.
Kurz, es wird eine Brennebenenmatrix-Bildbeobachtungsarchitektur geschaffen, die einen Bildpuffer zum Speichern von Detektorabtastwerten verwendet. Der Bildpuffer ist grundsätzlich eine jedem Detektorelement zugeordnete Abtast- Halte-Schaltung. Sobald die Abtastwerte von dem Brennebenendetektor in den Bildpuffer übertragen und in ihm gespeichert sind, wobei diese Übertragung entweder seriell, parallel oder durch eine Kombination hiervon ausgeführt wird, können die in dem Bildpuffer gespeicherten Daten in irgendeiner Reihenfolge ausgelesen werden oder kann irgendein Teil von ihnen ausgelesen werden, um das Ausschneiden von Fenstern zu ermöglichen. Die Abtastwerte werden in nichtzerstörender Weise ausgegeben und so lange erhalten, bis die nächste Menge von Abtastwerten von der Brennebenenmatrix zur Übertragung bereit ist, so daß mehrere Bereiche ausgegeben werden können, um mehrere Fenster zu ermöglichen. Durch das Lesen mehrerer Detektoren in ein einziges Bildpufferelement oder in mehrere parallelgeschaltete Bildpufferelemente kommt es zu einem elektronischen Entzoomen. Im Fall einer großen Anzahl von Detektoren, in dem der Bildpuffer nicht bei hoher Mengenleistung gebaut werden kann, kann der Bildpuffer in einem getrennten Siliciumchip gebaut werden, wobei er jedoch mechanisch eng benachbart zu dem Chip liegt, der die Detektoren enthält, und an diesen Chip elektrisch angeschlossen ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist ein Blockschaltplan einer Brennebenenmatrix- Bildbeobachtungsarchitektur gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen gegenüber der Einheitszelle externen Bildpuffer verwendet; und
Fig. 2 ist ein Blockschaltplan einer in der Einheitszelle realisierten Brennebenenmatrix-Bildbeobachtungsarchitektur.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Die Bildpufferarchitektur gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf mehrere Arten realisiert werden. Zunächst ist in Fig. 1 ein Blockschaltplan für eine Brennebenenmatrix gezeigt, die einen Bildpuffer verwendet, der sich außerhalb der Brennebenenmatrix und der Einheitszelle mit dem ihr zugeordneten Kondensator befindet. In Fig. 1 ist eine aus einer Matrix von M mal N Detektorelementen 1 bestehende Brennebenenmatrix gezeigt, die Energie bevorzugt im Infrarotfrequenzbereich, ohne jedoch auf diesen eingeschränkt zu sein, empfängt, wobei die Anzahl der Detektorelemente von den Grenzanforderungen des Systems abhängt. Jedes Detektorelement besitzt eine zugeordnete Einheitszelle, die einen Transistor und einen Standardkonstruktions-Kondensator zum Speichern einer Ladung darauf, die proportional zur Menge der auf das zugeordnete Detektorelement auftreffenden Energie ist, enthält. Es wird ein Bildpuffer 3 bereitgestellt, der entsprechend der Anzahl der Detektorelemente in der Brennebenenmatrix mehrere Speicherplätze, einen für jedes Element der Brennebenenmatrix, besitzt. Um ein Zentrieren der Detektormatrix in einer integrierten Schaltung zu ermöglichen, die die Brennebenenmatrix, das Pufferbild, falls erwünscht, und eine weitere Schaltungsanordnung wie etwa z. B. die unten diskutierten Multiplexer enthält, wurde der in Fig. 1 gezeigte Bildpuffer in zwei Abschnitte aufgeteilt (obgleich die Anzahl der Abschnitte optional ist und eins oder mehr betragen kann). Um in jeder Richtung eine leichte Realisierung eines 2 : 1- Entzoomens zu ermöglichen, wurde der Bildpuffer in Zweiergruppen aufgeteilt. Fig. 1 zeigt außerdem die Detektorschnittstellenschaltung in einer üblicherweise als eine Direktinjektionsschaltung bezeichneten Art. Für die Verwendung der Bildpufferschaltung ist dies nicht erforderlich.
Der Bildpuffer ist so beschaffen, daß die in jedem der Kondensatoren der Brennebenenmatrix gespeicherten Spannungen von abwechselnden Zeilenpaaren von Detektoren der Matrix in jeden Abschnitt des Bildpuffers ausgelesen werden, wobei diese Spannungen, wenn die Auslesefunktion realisiert ist, in dem zugeordneten Speicherplatz im Bildpuffer gespeichert werden. Zum Beispiel können die Zeilen 1 und 2 der Detektormatrix 1 in den Bildpuffer auf einer Seite der Matrix, die Zeilen 3 und 4 der Detektormatrix in den Bildpuffer auf der anderen Seite der Matrix, die Zeilen 5 und 6 der Detektormatrix in den Bildpuffer auf der einen Seite der Matrix usw. in dieser abwechselnden Weise ausgelesen werden. Nach der Realisierung der Auslesefunktion werden die Detektorelemente der Brennebenenmatrix erneut aufgeladen und die zu diesem Zeitpunkt in dem Bildpuffer gespeicherten Daten über die N : M- Multiplexer 5 ausgelesen, um die bisherige Notwendigkeit zu vermeiden, daß Auslesezeilen vom Bildpuffer in der gleichen Anzahl vorhanden sein müssen, wie darin Speicherelemente vorhanden sind. Der digitale Logikgenerator 9 wählt die durch den Multiplexer zu übertragenden Daten in dem Bildpuffer als Antwort auf externe Eingaben 11 aus. Die Ausgaben der N : M- Multiplexer werden in einen zweiten Multiplexer 7 eingegeben, von dem die Daten zur gewünschten Verwertung in eine Verwertungsvorrichtung eines vorgegebenen Typs ausgelesen werden. Nach dem Auslesen aus den Bildpuffern wird der Zyklus wiederholt, wobei die neuen Informationen in der Brennebenenmatrix wie oben beschrieben in den Bildpuffer ausgelesen werden. Auf diese Weise sind sämtliche Informationen in der Brennebenenmatrix gleichzeitig im Bildpuffer verfügbar. Dementsprechend wird im Gegensatz zu der obendiskutierten Anordnung des Standes der Technik irgendein im Bildpuffer gespeicherter Teil der Informationen sofort zugänglich.
Eine zeitliche Signalverarbeitung kann durch Ladungsteilung des neuesten Detektorabtastwerts mit dem Abtastwert, der sich bereits im Puffer befindet, anstelle des Ersetzens des gesamten Pufferabtastwerts, ausgeführt werden. Dies kann erwünscht sein, um mehrere Detektorabtastwerte zu einem einzigen zu akkumulieren, was eine Erhöhung in bezug auf das Signal-Rausch-Verhältnis bei einer niedrigen Ausgangsdatenrate schafft.
Fig. 2 zeigt eine Realisierung des Bildpuffers, bei der der Bildpuffer in der Einheitszelle realisiert ist. In der Einheitszelle ist ein Zusatzkondensator enthalten, der das Abtasten und Speichern des Detektorsignals ermöglicht. In diesem Fall wird der dynamische Bereich etwa um einen Faktor zwei verringert. Da die Schaltungselemente in der Größe des Detektorelements enthalten sein müssen, hat der Integrationskondensator etwa die halbe Größe gegenüber derjenigen, die er hätte, wenn der Bildpuffer gegenüber der Einheitszelle extern wäre. Wegen dieser Nebenbedingung wurde ein Schalter aufgenommen, der das Parallelschalten beider Kondensatoren ermöglicht, so daß für Anwendungen, die kein Ausschneiden von Fenstern erfordern, der zusätzliche Dynamikbereich verwendet werden kann.
Für das für mehrere Fenster erforderliche nichtzerstörende Lesen der Abtast-Halte-Schaltung ist in der Einheitszelle außerdem ein Pufferverstärker erforderlich. Dies bewirkt, daß der Integrationskondensator noch kleiner ist.
Es kann ein gleichzeitiges Abtasten der Detektoren ausgeführt werden, wobei diese Abtastwerte zum Füllen des Bildpuffers verwendet werden können, oder die Abtastwerte können zeitlich gestaffelt erhalten werden, um den Bildpuffer zu füllen. Dieser letztere Zugang führt zu einem potentiell höheren Austastzyklus, wobei er jedoch für einige Anwendungen wegen der genauen Lokalisierung der Ziele unerwünscht ist.

Claims

1. Brennebenenmatrix-Bildbeobachtungssystem, das enthält:

(a) eine Brennebenen-Beobachtungsmatrix (1) mit mehreren Detektorelementen und mehreren Ladungsaufnahmeelementen, wobei jedem Detektorelement eines der Ladungsaufnahmeelemente zugeordnet ist;

(b) einen Bildpuffer (3) mit mehreren Speicherelementen, wobei jedem Detektor eines der Speicherelemente zugeordnet ist, wobei der Bildpuffer zwei Abschnitte enthält, wovon sich jeder auf einer gegenüberliegenden Seite der Brennebenenmatrix befindet;

(c) einen Multiplexer (5) zum seriellen Übertragen von Daten von einer ausgewählten Untermenge der mehreren Speicherelemente; und

(d) Mittel zum periodischen Übertragen von Daten von jedem der Ladungsaufnahmeelemente an das zugeordnete Speicherelement im Bildpuffer.

2. System nach Anspruch 1, ferner mit einem digitalen Logikmittel (9) zum Wählen der Daten im Bildpuffer, die vom Multiplexer übertragen werden, als Antwort auf externe Eingangssignale.

3. System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Brennebenenmatrix (1) und der Bildpuffer (3) auf einem einzigen Halbleiterchip angeordnet sind.

4. System nach irgendeinem der vorhergehenden Anspruch, wobei die Detektorelemente in mehreren Zeilen angeordnet sind, wobei Zeilen abwechselnd mit dem einen oder dem anderen der beiden Abschnitte des Bildpuffers (9) gekoppelt sind.

5. System nach Anspruch 1, wobei die Brennebenenmatrix (1) auf Infrarotenergie anspricht.