DE69720758T2

DE69720758T2 - Vorrichtung zur elektro-optischen fernerkundung mit bewegungskompensation

Info

Publication number: DE69720758T2
Application number: DE69720758T
Authority: DE
Inventors: Bruce Albert Mathews; Bryan Huntington Coon
Original assignee: BAE Systems Information and Electronic Systems Integration Inc
Current assignee: BAE Systems Information and Electronic Systems Integration Inc
Priority date: 1996-11-05
Filing date: 1997-11-05
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2017-11-06
Also published as: WO1998020301A1; IL129778A; EP0937230B1; IL129778A0; EP0937230A1; US20010015755A1; US6373522B2; DE69739272D1; US6256057B1; US20020149674A1; DE69720758D1

Description

Hintergrund der Erfindung
l. Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft im allgemeinen elektrooptische Fernerkundungssysteme, deren Winkelauflösung größer als das Produkt von Belichtungszeit und Winkelgeschwindigkeit der Bildverschiebung ist. Die Erfindung ist ein Vorwärtsbewegungskompensationssystem (FMC), das eine volle Auflösungsleistung ermöglicht, wenn das Produkt von Zielsehstrahl, Winkelgeschwindigkeit und Belichtungszeit größer als die Winkelauflösung des Systems ist. Das System umfaßt eine Optik, einen mechanischen Verschluß und eine Vollbild-CCD.
2. Stand der Technik
Systeme zur Fernerkundung aus der Luft haben in den letzten zwei Jahrzehnten mit der Ersetzung des photographischen Films durch elektrooptische Bildsensoren einen dramatischen Wandel erfahren. Mit dem Aufkommen von Fokalebenen in Wafergröße, die für ausreichende Erfassung und Auflösung sorgen, können Fernerkundungssysteme elektrooptische Sensoren nutzen, die als großformatige Bereichsanordnungen konfiguriert sind. Diese elektrooptischen Bilderzeugungssysteme ("EO"-Systeme") zur Fernerkundung nutzen am häufigsten ladungsgekoppelte Vorrichtungen ("CCDs"), die im sichtbaren und fast im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums wirken, um das Bild des Ziels oder der Szene aufzuzeichnen. Das Vermögen zur Arbeit in einer Echtzeitumgebung und unter Umgebungsbedingungen mit schwachem Licht sind nur einige der Gründe, aus denen auf der Elektrooptik basierende Fernerkundungssysteme zunehmend auf Filmen basierende Fernerkundungssysteme ersetzen.
Eines der häufiger bei der Konstruktion von Bilderzeugungssystemen bei der Fernerkundung aus der Luft anzutreffenden Probleme besteht in der Bestimmung des effektivsten Verfahrens zur Kompensierung von Bildverschmierung und Bildunschärfe. Typischerweise kommt es zu Verschmierung, wenn Bedingungen mit schwachem Umgebungslicht verhindern, daß bei einem Bilderzeugungssystem ausreichend kurze Belichtungszeiten verwendet werden, was auf Grund der Vorwärtsbewegung des Flugzeugs zu einem verwischten Bild führt. Mit anderen Worten, Verschmierung tritt auf infolge der relativen Bewegung zwischen einer Szene oder einem Ziel, die abzubilden sind, und dem Bilderzeugungssystem. Um den Qualitätsverlust an den in einem registrierten Bild enthaltenen Informationen zu vermeiden, müssen deshalb bei einem idealen Bilderzeugungssystem für die Fernerkundung einige Mittel der Bildverschiebungskompensation ("IMC") für die Bildverschmierung verwendet werden.
Unterschiedliche Szenarien für Fernerkundungsaufgaben können unterschiedliche Bildverschiebungen aufweisen, die kompensiert werden sollten. Das Ziel jedes Kompensationssystems für Bildverschiebungen, von dem ein System zur Vorwärtsbewegungskompensation ("FMC") eine spezielle Kategorie ist, besteht in der Verminderung der Bildverschmierung, die auftritt, wenn sich die Winkelgeschwindigkeit des Zielsehstrahls sehr von der Winkelgeschwindigkeit der Kamera unterscheidet.
Frühe Fernerkundungssysteme umfaßten lineare Anordnungen, die in großen Höhen wirkten und dadurch die Wirkungen von Winkelbewegungen proportional zu dem Verhältnis Flugzeuggeschwindigkeit/Flugzeughöhe minimierten. Wenn jedoch Szenarien für Niedrigflugaufgaben erforderlich sind, um die Entdeckung des Fernerkundungsflugzeugs zu vermeiden, ist Vorwärtsbewegungskompensation notwendig, um die Bildauflösung aufrechtzuerhalten. Zur Erfüllung dieser Erfordernisse der Bildauflösung wurden mehrere herkömmliche IMC-Verfahren entwickelt.
Beispielsweise wird in dem USA-Patent Nr. 4,505,559, erteilt am 19. März 1985 an Prinz, eine Methode offenbart, bei der ein momentaner Sehstrahl die Bewegung des zur Registrierung des Bildes verwendeten Films steuert. In dem USA- Patent Nr. 4,157,218, erteilt am 05. Juni 1979 an Gordon et al., wird ebenfalls ein Filmantrieb zur Kompensation der Vorwärtsbewegung des Bildes verwendet. Mechanische Mittel werden verwendet in dem USA-Patent Nr. 4,908,705, erteilt am 13. März 1990 an Wight, in dem sich die Bilderzeugungsanordnung physisch bewegt, um die Verschmierung zu vermindern.
In dem USA-Patent Nr. 5,155,597 von Lareau et al., erteilt am 13. Oktober 1992, wird eine Gleichung offenbart, mit der die Korrektur der Bildverschiebung in dem seitlich vorwärts gerichteten Szenarium durch das Übertragen der Ladung in einer in Kolonnen segmentierten CCD-Anordnung mit unterschiedlichen Übertragungsgeschwindigkeiten offenbart wird, die dem Depressionswinkel entspricht.
In US-A-4,505,559 wird ein auf einem Film basierende Fernerkundungskamera offenbart, bei der ein Verschluß zum Belichten des Films verwendet wird. Der Verschluß weist einen Schlitz auf, der sich in einer Richtung quer zu der Richtung des Filmtransports bewegt. Die Geschwindigkeit des Filmtransports wird von einem Computer gesteuert, um für eine Bildverschiebungskompensation zu sorgen, die unter anderem auf der Stellung des Verschlußschlitzes basiert.
In US-A-4,664,494 wird ein photographischer Verschluß mit zwei Vorhängen beschrieben, deren Ränder einen Belichtungsschlitz bilden. Zur Steuerung der Breite des Schlitzes und der Geschwindigkeit der Bewegung über den Belichtungsbereich wird der Vorhang von Servomotoren angetrieben.
Die vorgenannten Verfahren zur Bildverschiebungskompensation sind nicht hinreichend, um in jedem der oben beschriebenen verschiedenen Aufgabenszenarien für eine Bildverschiebungskompensation zu sorgen. Benötigt wird ein elektrooptisches Fernerkundungssystem, das für eine hinreichende Bildverschiebungskompensation in schräg vorwärts, schräg seitlich und vertikal gerichteten Orientierungen sorgt. Des weiteren ist erwünscht, daß dieses Fernerkundungssystem preiswert ist.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfaßt ein elektrooptisches Fernerkundungssystem:
eine Fokalebenenanordnung mit einem Hauptformatbereich mit einer Mehrzahl von in Reihen und Kolonnen angeordneten, lichtempfindlichen Zellen, wobei die Fokalebenenanordnung so konfiguriert ist, daß sie ein projiziertes Bild einer Szene erfaßt und das Bild in eine elektronische Ladungsdarstellung des Bildes umwandelt; und
einen Verschluß mit einem steuerbaren Belichtungsschlitz nahe an der Fokalebenenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß der Belichtungsschlitz zur Definierung von Belichtungsbereichen über die Fokalebenenanordnung hinweg bewegt wird, wobei jeder Belichtungsbereich eine zugeordnete Bildverschiebung aufweist, die über den Belichtungsbereich hinweg im wesentlichen gleichmäßig ist, und daß die das Bild darstellenden elektronischen Ladungen mit einer Ladungsübertragungsgeschwindigkeit übertragen werden, die der Bildverschiebung in dem zugeordneten, von dem Belichtungsschlitz des Verschlusses belichteten Belichtungsbereich entspricht, wenn der Belichtungsschlitz über die Fokalebenenanordnung hinweg bewegt wird.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Bereitstellen einer Vorwärtsbewegungskompensation (FMC) für ein elektrooptisches Fernerkundungssystem in einem vorwärtsbewegbarem Fahrzeug, wobei das elektrooptische Fernerkundungssystem einen bewegbaren Belichtungsschlitz eines Verschlusses und eine Fokalebenenanordnung umfaßt, die so konfiguriert ist, daß sie ein projiziertes Bild einer Szene erfaßt und das Bild in eine elektronische Ladungsdarstellung des Bildes umwandelt, die folgenden Schritte:

(1) das Bewegen des Verschlußbelichtungsschlitzes zur Definierung von Belichtungsbereichen über die Fokalebenenanordnung hinweg, wobei jeder Belichtungsbereich eine zugeordnete Bildverschiebung aufweist, die über den Belichtungsbereich hinweg im wesentlichen gleichmäßig ist,
(2) das Übertragen der das Bild darstellenden elektronischen Ladungen mit einer Ladungsübertragungsgeschwindigkeit, die der Bildverschiebung in dem zugeordneten, von dem Verschlußbelichtungsschlitz belichteten Belichtungsbereich entspricht, wenn der Belichtungsschlitz über die Fokalebenenanordnung hinweg bewegt wird;
(3) das Messen einer Lichtintensität einer durch das Fernerkundungssystem abzubildenden Szene;
(4) das Vergleichen der gemessenen Lichtintensität mit einem vorbestimmten Lichtintensitätswert;
(5) das Ermitteln einer Belichtungszeit durch Vergleichen der gemessenen Lichtintensität mit einer Verweistabelle für Belichtungszeiten;
(6) das Bestimmen einer der Belichtungszeit und den Eingaben für die Aufgabenparameter entsprechenden Vorwärtsbewegungskompensationsprofils, und
(7) das Senden eines dem Vorwärtsbewegungskompensationsprofil entsprechenden Signals an eine Elektronikeinheit des elektrooptischen Fernerkundungssystems zum Vornehmen der FMC.

Mit der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zur Kompensation einer Bildverschiebung bei Fernerkundungsaufgaben geschaffen. Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das elektrooptische Fernerkundungssystem eine bilderzeugende Fokalebenenanordnung (FPA), beispielsweise eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD), zur Registrierung einer Szene. Die Fokalebenenanordnung umfaßt einen Hauptformatbereich mit einer Mehrzahl von in Reihen und Kolonnen angeordneten lichtempfindlichen Zellen. Die Fokalebenenanordnung umfaßt auch einen Verschluß mit einem Fenster (oder Belichtungsschlitz) der sich über die Bilderzeugungsvorrichtung hinweg bewegt. Zur Kompensation der Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs, beispielsweise eines Flugzeugs, wird die Ladung in der Bilderzeugungsvorrichtung über die Vorrichtung hinweg übertragen. Die Ladungsübertragungsgeschwindigkeit ist über die Fokal ebenenanordnung hinweg einheitlich, verändert sich jedoch mit der Zeit gemäß dem abzubildenden Abschnitt des Ziels, wobei der abzubildende Abschnitt der Zielszene durch die Stellung und die Breite des Verschlußschlitzes gebildet wird. Die Ladungsübertragungsgeschwindigkeit verändert sich abhängig von der Stellung des Verschlußschlitzes über der Bilderzeugungsvorrichtung. Eine Kamerasteuerelektronikeinheit steuert die Stellung des Verschlußschlitzes und verarbeitet Zielszeneninformationen, Lichtintensitäten und Erfordernisse der Fernerkundungsaufgabe, um die Bewegungsgeschwindigkeit von in dem durch die Fokalebenenanordnung betrachteten Abschnitt der Zielszene enthaltenen Objekten zu bestimmen. Infolgedessen kann die Kamerasteuerelektronikeinheit ein geeignetes Taktsignal erzeugen, um die Vorwärtsbewegungskompensation (FMC) in einer Vielzahl von Zielbetrachtungsarten einschließlich der schräg vorwärts, der schräg seitlich und der vertikal gerichteten Betriebsweise zu vollziehen.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Schaffung einer Vorwärtsbewegungskompensation für das elektrooptische Fernerkundungssystem in der Kamerasteuerelektronikeinheit verwendet. Zuerst mißt ein Lichtsensor die Lichtintensität der mit dem Fernerkundungssystem abzubildenden Szene. Als nächstes wird die gemessene Lichtintensität mit einem vorbestimmten Lichtintensitätswert verglichen. Beispielsweise kann der vorbestimmte Lichtintensitätswert einem vorgegebenen Sonnenstandswinkel über dem Horizont entsprechen. Wenn der gemessene Lichtwert größer als der standardmäßige Wert ist, wird eine Belichtungszeit durch Vergleichen der gemessenen Lichtintensität mit einer primären Verweistabelle für Belichtungszeiten bestimmt. Wenn der gemessene Lichtintensitätswert kleiner als der standardmäßige Wert ist, wird die Belichtungszeit durch Vergleichen der gemessenen Lichtintensität mit einer niedrigen Verweistabelle für Belichtungszeiten bestimmt. Durch Bestimmung der richtigen Belichtungszeit werden die richtige Verschlußschlitzbreite und die richtige Verschlußschlitzgeschwindigkeit bestimmt. Als nächstes wird ein der Belichtungs
zeit und den Eingaben für die Aufgabenparameter entsprechendes Vorwärtsbewegungskompensationsprofil bestimmt. Beispielsweise können zu den Aufgabenparametern die Geschwindigkeit und die Höhe des Flugzeugs sowie der Kamerablickwinkel gehören. Dieses FMC-Profil entspricht dem Taktsignal, das zum Ansteuern der Fokalebenenanordnung des Fernerkundungssystems zum Vornehmen des FMC verwendet wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie die Konstruktion und Funktionsweise verschiedener Ausführungsformen der Erfindung sind im folgenden ausführlich an Hand der anliegenden Zeichnungen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die anliegenden Zeichnungen, die hier einbegriffen sind und einen Teil der Spezifikation bilden, stellen die vorliegende Erfindung dar und dienen zusammenmit der Beschreibung ferner zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung und versetzen einen Fachmann in der einschlägigen Technik in die Lage, die Erfindung herzustellen und zu verwenden. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Nummern gleichartige oder funktionell ähnliche Elemente. Des weiteren kennzeichnet/kennzeichnen die am weitesten links befindlichen Ziffer(n) einer Bezugsnummer die Zeichnung, in der die Bezugsnummer zuerst erscheint.
1 stellt verschiedene Bildverschiebungen auf Grund der Vorwärtsbewegung eines Flugzeugs dar;
die 2A–2D stellen alternative herkömmliche elektrooptische Bilderzeugungsarten dar;
3 stellt die Verschiebung von Ladungen in einer vereinfachten ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD) dar;
4 stellt eine herkömmliche Detektoranordnung dar;
5 stellt eine Detektoranordnung mit abgestufter Vorwärtsbewegungskompensation (FMC) gemäß der vorliegenden Erfindung (bei Darstellung in der schräg vorwärts gerichteten Betriebsart) dar;
6 stellt eine herkömmliche Detektoranordnung mit in Kolonnen segmentierter Vorwärtsbewegungskompensation dar;
7 stellt eine Projektion einer Fokalebenenanordnung auf den Boden zwecks schräg seitlich gerichteter Bildsammlung dar;
8 stellt die Funktionsweise einer in schräg seitlich gerichteter Betrachtungsweise wirkenden Detektoranordnung mit abgestufter Vorwärtsbewegungskompensation (FMC) dar;
9A stellt die Bildverschiebungsgeschwindigkeit dar, und 9B stellt die CCD-Liniengeschwindigkeit für eine in einer schräg seitlich gerichteten Betrachtungsweise wirkenden Detektoranordnung mit abgestufter Vorwärtsbewegungskompensation (FMC) dar;
10 ist eine Darstellung einer beispielhaften Umgebung für das in einer schräg seitlich gerichteten Betrachtungsweise wirkende elektrooptische Fernerkundungssystem;
11 ist eine Darstellung einer beispielhaften Umgebung für das in einer schräg vorwärts gerichteten Betrachtungsweise wirkende elektrooptische Fernerkundungssystem; die 12 und 13 stellen die Funktionsweise einer Detektoranordnung mit abgestufter FMC in einer schräg vorwärts gerichteten Weise gemäß der vorliegenden Erfindung dar;
14 ist eine Darstellung einer beispielhaften Umgebung für das in einer vertikal gerichteten Betrachtungsweise wirkende elektrooptische Fernerkundungssystem;
15 stellt die Funktionsweise einer Detektoranordnung mit abgestufter FMC in einer vertikal gerichteten Weise gemäß der vorliegenden Erfindung dar; 16 stellt einen Grundriß einer Fokalebenenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung dar;
17 stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Fokalebenenanordnung mit seitlichen Busanschlüssen dar;
die 18, 18A, 18B und 19 stellen die Taktabschnitte einer Detektoranordnung mit in Kolonnen segmentierter Bilderzeugungsfläche gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
20 stellt ein Bildpunktmodell zur Bestimmung einer Zeitkonstanten für V-Phasengatter gemäß der vorliegenden Erfindung dar;
21 ist ein Blockschaltbild der Kameraelektronik des elektrooptischen Fernerkundungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
22 ist ein Ablaufschema des Steuerungsvorgangs für die Kamerabewegungskompensation gemäß der vorliegenden Erfindung;
23 ist ein Blockschaltbild des Taktgenerators und der CCD-Ansteuerelektronik, die in dem Fernerkundungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt sind;
die 24A und 24B stellen beispielhafte Bildzeitgabe- und Leitungszeitgabesignale gemäß der vorliegenden Erfindung dar;
25 ist ein Blockschaltbild der Belichtungssteuerung des Verschlusses gemäß der vorliegenden Erfindung;
26 ist eine Graphik der Belichtungszeit als Funktion der Schlitzbreite für zwei beispielhafte Verschlußgeschwindigkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung;
27 ist eine Graphik der Belichtungszeit als Funktion des Sonnenstands für verschiedene Linsen gemäß der vorliegenden Erfindung;
die 28A und 28B sind Blockschaltbilder des digitalen Vorprozessors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1. Übersicht und Erläuterung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Kom
pensation der Bildverschiebung bei Fernerkundungsaufgaben vom Flugzeug aus. Insbesondere wird eine bilderzeugende Fokalebenenanordnung (FPA), beispielsweise eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD), zur Registrierung einer Zielszene verwendet. Um die Vorwärtsbewegung des Flugzeugs zu kompensieren, wird die Ladung in der Bilderzeugungsvorrichtung über die Vorrichtung hinweg übertragen. Die Übertragungsgeschwindigkeit über die CCD hinweg ist einheitlich, verändert sich jedoch mit der Zeit gemäß dem abzubildenden Abschnitt des Ziels. Das erfolgt dadurch, daß ein Verschluß mit sich bewegendem Fenster (oder Schlitz) verwendet wird, der das projizierte Bild des Ziels über die Bilderzeugungsvorrichtung hinweg abtastet. Die Ladungsübertragungsgeschwindigkeit verändert sich abhängig von der Stellung des projizierten Bildes auf der Bilderzeugungsvorrichtung. Mit der vorliegenden Erfindung werden die Gestaltung und die Spezifikation der Optik, der mechanische Verschluß und die CCD gesteuert, um ein preiswertes und erzeugbares System zur Bildverschiebungskompensation (IMC) für ein sehr hochleistungsfähiges Fernerkundungssystem zu konstruieren. Die Weise, in der das erfolgt, wird im folgenden ausführlich beschrieben.
Um die Erfindung in einen Zusammenhang zu setzen, werden in einer kurzen Erläuterung einige der mit derzeitigen Fernerkundungssystemen aus der Luft zusammenhängenden Probleme beschrieben. Beispielsweise ist normalerweise eine Bildverschmierung in mehreren verschiedenen Szenarien von Fernerkundungsaufgaben aus der Luft vorhanden. 1 stellt die Arten der Bildverschiebungen dar, die auftreten, wenn die Kamera direkt nach unten (vertikal) blickt, nach einer Seite hin (schräg seitlich) blickt und in einem ausgewählten Depressionswinkel gegenüber dem Horizont (schräg vorwärts) nach vorn blickt. In 1 ist die rechteckige Fokalebenenanordnung als auf den Boden projiziert dargestellt. Die relative Größe und Richtung der Bildverschiebung innerhalb des Bildfeldes wird durch die Länge und Richtung der die Verschiebung anzeigenden Pfeile angezeigt.
In dem vertikal gerichteten Beispiel 102 fliegt das Flugzeug 104 direkt oben über das betreffende Ziel oder die Szene hinweg. Mithin erfolgt die gesamte Bildverschiebung in einer einzigen Richtung (gegenüber der Flugrichtung) und Größe. Das heißt, alle Teile des Bildes verschieben sich miteinander parallel zu der Fluglinie. Diese Verschiebung ist in ihrer Größe auf dem gesamten Bildfeld 106 einheitlich.
Im Fall "schräg seitlich gerichtet" 112 bleibt die Verschiebung parallel zu der Fluglinie 111, ist jedoch nicht auf dem gesamten Bildfeld von gleicher Größe. Durch den Pfeil 114 dargestellte Objekte, die am nächsten zu dem Flugweg liegen, scheinen sich schneller zu bewegen. Die durch den Pfeil 116 dargestellten Objekte, die von dem Flugweg weiter weg liegen, scheinen sich proportional zu ihrer Entfernung von dem Flugweg 111 langsamer zu bewegen.
Der Fall "schräg vorwärts gerichtet" 122 ist am kompliziertesten. In diesem Fall setzt sich die Bildverschiebung aus zwei Vektoren zusammen. Der erste verläuft wie bei den oben behandelten Beispielen parallel zu der Fluglinie. Hier verändert sich wiederum die Größe dieses Verschiebungsvektors mit dem Bereich von dem Flugzeug aus: der Verschiebungsvektor ist um so größer, je näher an dem Flugzeug sich ein vorgegebener Punkt in dem Bild befindet. Von der Fluglinie weg tritt eine zweite Verschiebung (von viel geringerer absoluter Größe) auf. Wenn sich Punkte dem Flugzeug nähern, scheinen sie nach der Seite des Formats hin "wegzufliegen". Links von dem Flugweg liegende Punkte "fliegen" nach links "weg", und rechts von dem Flugweg liegende Punkte "fliegen" nach rechts "weg". Die Größe dieses Vektors nimmt um so mehr zu, je näher an dem Flugzeug sich ein vorgegebener Punkt befindet.
2. Beispielhafte Umgebung
Bevor die Erfindung im einzelnen beschrieben wird, erfolgt zweckmäßigerweise eine Erläuterung der beispielhaften Fernerkundungsverfahren, bei denen die Erfindung genutzt werden kann. Vorzugsweise kann die vorliegende Erfindung in einer Vielzahl von elektrooptischen Fernerkundungssystemen ausgeführt werden. Beispielsweise sind vier Grundtypen von Bildsensoren folgende: solche mit Strei fen-, mit Pushbroom-, mit Panoramasektor- und mit Bildfeldabtastung. Die Wahl eines speziellen Verfahrens richtet sich nach dem spezifischen Arbeitsbedarf. Diese vier beispielhaften Fernerkundungssysteme sind in 2 dargestellt.
2A stellt einen Streifenabtastungssensor dar. Streifenabtastungssensoren erzeugen ein Bild, indem sie durch eine senkrecht zu dem Flugweg ausgerichtete Linse eine EO-Fokalebene (elektrooptische Fokalebene) am Boden anvisieren. Die EO-Fokalebenenvorrichtung kann ein am Körper befestigter Sensor oder ein beweglicher Sensor sein. Die Geometrie des Bodens wird durch Einstellung der Liniengeschwindigkeit der Fokalebene aufrechterhalten und/oder korrigiert, um die Bildverschiebung zu kompensieren. Wie in 2A gezeigt ist, wird beispielsweise eine in einem Flugzeug 202 angeordnete (nicht gezeigte) lineare Detektoranordung senkrecht zu der Flugrichtung ausgerichtet. Die Anordnung umfaßt eine Reihe von Bildpunkten zur Schaffung einer ersten Dimension der Szenenerfassung. Durch die Vorwärtsbewegung des Flugzeugs wird eine zweite Dimension der Szenenerfassung längs des Flugwegs des Flugzeugs geschaffen.
Ein zweites Fernerkundungsverfahren wird "Pushbroom"-Verfahren genannt und ist in 2B dargestellt. Pushbroom-Sensoren sind eine Variation der Streifenabtastungsensoren, bei denen das momentane lineare Sichtbereich in der Flugspur oder in Richtung längs der Flugspur (längs dem Flugweg) vor- und zurückbewegt wird, um Stereobilder zustandezubringen, die Bildverschiebung zu kompensieren und/oder ein "Bildfeld" zu schaffen. Wieder einmal ist, wie in 2B gezeigt ist, eine lineare Anordnung senkrecht zu der Flugrichtung ausgerichtet. Durch Kombi nation der Vorwärtsbewegung des Flugzeugs und der sich vor- und zurückbewegenden Abtastung der Anordnung wird eine überlappende zweite Dimension der Erfassung erzeugt.
Mit einem Sensorverfahren mit Panoramasektorabtastung, das in 2C dargestellt ist, wird ein "Bildfeld" von Bildern geschaffen, indem der momentane Sichtbereich der Fokalebene senkrecht (oder quer über die Spur) zu der Fluglinie bewegt wird. Die Breite des Bildfelds (in Grad) wird durch die Brennweite des Sensors und die Länge der Fokalebene festgelegt, und die Erfassung quer über die Spur wird durch die Abtastgeschwindigkeit und die Dauer der Abtastung durch den Sensor bestimmt. Bei diesem Beispiel ist eine lineare Detektoranordnung parallel zu der Flugrichtung ausgerichtet. Durch die Abtastung der Anordnung, beispielsweise vom Horizont nach unten, wird die zweite Erfassungsdimension erzeugt.
Ein viertes Verfahren, das als Bildfeldabtastsensorverfahren bekannt ist, ist in 2D dargestellt. Bildfeldabtastsensoren sammeln "momentan" Bereichsbilder, ganz wie eine Momentaufnahmekamera verfährt. Beispielsweise visiert eine Flächendetektoranordnung ein Ziel an, dann werden Bildfelder gesammelt. Ganz bis zur jüngsten Zeit waren Bildfeldgröße und Auflösung auf Grund der Größe und der geringeren Anzahl von Bildpunkten beim Anvisieren von Anordnungen beschränkt.
Bildreihensensoren sind für spezifische Anwendungsbereiche von Vorteil. Beispielsweise kann ein Bildreihensensor in einzigartiger Weise schräg vorwärts gerichtete Bilder erfassen, die den Horizont enthalten. Durch diese Fähigkeit kann dem Fernerkundungspiloten Flexibilität verliehen werden, wenn er das Flugzeug nahe an das Ziel manövriert. Des weiteren kann eine Bildreihenkamera für Verbesserungen bei der Leistung bei geringer Lichtintensität, für kontinuierliche Stereo-Erfassung und für weniger Bildartefakte auf Grund von Verschiebungen mit geringer Häufigkeit sorgen.
Bis vor kurzem waren EO-Bildreihenkameras auf Grund ihrer kleinen Bildfläche und von mit der Datenverarbeitung und der Speicherung zusammenhängen den technologischen Beschränkungen funktionell nicht lebensfähig. Durch Verbesserungen in der Waferfertigung und der Bildverarbeitungstechnologien wird diese Art, von Kamera nunmehr ausführbar. Wie im folgenden beschrieben, können solche hochauflösenden Bildreihenkameras andere taktische Fernerkundungssensoren ergänzen, insbesondere in der schräg nach vom gerichteten Betriebsart und zur Erzeugung von Stereobildern.
Die vorliegende Erfindung wird hinsichtlich dieser beispielhaften Umgebung beschrieben. Die Beschreibung in dieser Hinsicht ist nur der Bequemlichkeit halber vorgesehen. Es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung auf Anwendung in dieser beispielhaften Umgebung zu beschränken. Tatsächlich wird ein technischer Fachmann nach der Lektüre der folgenden Beschreibung erkennen, wie die Erfindung in anderen Umgebungen auszuführen ist.
3. Elektronische Vorwärtsbewegungskompensation (FMC)
Durch Verwendung von ladungsgekoppelten Vorrichtungen (CCDs) anstelle eines Films wird ein Verfahren zur "elektronischen" Vorwärtsbewegungskompensation möglich. Bei diesem Verfahren läßt sich das von dem Bild in der Detektoranordnung gebildete elektronische Signal so verschieben, daß es sich mit der Verschiebung des auf die Anordnung fallenden Bildes weiterbewegt. Dieses Konzept der Ladungsübertragung ist schematisch in 3 dargestellt. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um die durch die Bildbewegung bewirkte Verschmierung zu vermindern und dabei längere Belichtungszeiten zu ermöglichen.
3 zeigt einen vereinfachten CCD-Detektor, der als einzelne Kolonne von Bildpunkten 302 dargestellt ist. Das auf jeden Bildpunkt (oder jede Potentialmulde), beispielsweise den Bildpunkt 304, einfallende Licht erzeugt freie Elektronen, die an der Bildpunktstelle gesammelt werden. Durch Anlegen von taktenden Wellenformen A, B und C an den Eingang 306 werden die in einer Bildpunktmulde gesammelten Ladungen (Elektronen) in der Kolonne nach unten verschoben. Wenn alle Bildpunkte miteinander getaktet sind, kommt eine "Eimerkette" zur Übertragung der Signale zustande. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Bildpunkte während des Belichtungszeitraums mit einer Geschwindigkeit getaktet, die gleich der Geschwindigkeit der Bildverschiebung ist. Mithin bewegt sich das von einem speziellen Bildpunkt erzeugte Signal so, daß es bei diesem Bildpunkt bleibt. Durch dieses Verfahren zur Ladungsübertragung wird die auf Grund der Bildverschiebung entstehende Verschmierung beseitigt und dabei die effektive Belichtungszeit vergrößert.
Es gibt mindestens drei Verfahren zur Kompensation der Bildverschiebung, die ihrer Natur nach elektronisch sind; durchschnittliche FMC, abgestufte FMC und segmentierte FMC. Alle diese FMC-Verfahren können bei der vorliegenden Erfindung genutzt werden. Diese Verfahren sind jeweils im folgenden beschrieben. Des weiteren werden diese Verfahren einem nicht kompensierten Bilderzeuger gegenübergestellt.
a. Keine FMC
4 stellt einen nicht kompensierten Bilderzeuger dar. Der nicht kompensierte Bilderzeuger ist ein einfacher, jedoch sehr großer Bilderzeuger mit Reihen und Kolonnen von Bildpunkten sowie einer zugehörigen Ablesekonstruktion (beispielsweise Verstärkern usw.). Bei dem nicht kompensierten Bilderzeuger wird nicht versucht, die bildverschmierenden Auswirkungen der Bildverschiebung zu beseitigen oder zu minimieren. Die mit einem nicht kompensierten Bilderzeuger verwendete Filmkamera ist typischerweise eine, bei welcher der Film eben und befestigt ist und der Verschluß (zwischen den Linsen oder in der Fokalebene) einfach geöffnet wird, um die gewünschte Belichtungsdauer zu erzeugen. Etwaige Bildverschiebungen, die während der Belichtung zusammen mit dem damit verbundenen, durch Verschmierung ausgelösten Verlust der Bildqualität auftreten, werden einfach toleriert.
Beispielsweise umfaßt eine auf einem nicht kompensierten Bilderzeuger basierende Detektoranordnung 402 X Kolonnen, von denen jede Y Bildpunkte aufweist. Die Anordnung wird mit einem sich verschiebenden Bild belichtet, und das Signal wird dann wie bei einer CCD ausgegeben oder durch Anwendung eines Takts mit X- und Y-Adresse abgelesen. Durch die Bildverschmierung kommt es zu einem Verlust an Bildqualität als Funktion ihrer Größe.
b. Durchschnittliche FMC
Ein durchschnittlicher FMC-Bilderzeuger ist eine Verbesserung gegenüber der Konfiguration eines nicht kompensierten Bilderzeugers. Bei durchschnittlichen FMC-Bilderzeugern wird die Ladung während der Belichtung gesammelt, und die Ladung wird auch synchron mit der Verschiebung des Bildes verschoben, das diese erzeugt hat. Beispielsweise ist der IMMIC-Chip (Integrating Mode Moving Image Chip) ein bekannter durchschnittlicher FMC-Bilderzeuger.
Ein durchschnittlicher FMC-Bilderzeuger läßt sich ebenfalls in Bezug auf 4 beschreiben. Die Detektoranordnung 402 umfaßt X Kolonnen, von denen jede eine Ladung mit der gleichen Geschwindigkeit überträgt. Jede Kolonne umfaßt Y Bildpunkte. Während einer Belichtung können alle Ladungen mit einer Geschwindigkeit verschoben werden, die gleich der durchschnitlichen Verschiebungsgeschwindigkeit ist. Eine auf einer durchschnittlichen FMC basierende Detektoranordnung weist eine Gruppe von Taktleitungen (φ₁ , φ₂ , φ₃ ) auf, die Ladung für die gesamte Anordnung mit einer Geschwindigkeit übertragen, die gleich der Taktgebergeschwindigkeit ist.
Das Verfahren mit durchschnittlicher FMC, das auch als Time Delay and Integration-Verfahren (TDI) bezeichnet wird, wird zur Vergrößerung des Signal-Rauschverhältnisses verwendet. Diese Ladungsverschiebung kann unter Verwendung einer Variante des oben erläuterten einfachen großen Chips ausgeführt werden, indem Daten längs der CCD-Kolonnen verschoben werden, während der Verschluß offen ist. Die Bildverschiebungsgeschwindigkeit ist für alle Kolonnen die gleiche. Die Bildverschiebungsgeschwindigkeit wird mit einem Kamerasystem gewählt, in dem der FMC-Bilderzeuger untergebracht ist, damit sie mit der durchschnittlichen Bildgeschwindigkeit über den Chip während der Belichtung übereinstimmt. Zwar sorgen durchschnittliche FMC-Bilderzeuger für eine durchschnittliche FMC-Korrektur, sie kompensieren jedoch nicht die verschiedenen Größen der Bildvektoren in verschiedenen Abständen von dem Flugweg. Deshalb würden bestimmte Kolonnen, wenn die Bildverschiebungen nicht gleichmäßig sind, selbst bei einer vollkommenen Übereinstimmung mit der durchschnittlichen Ladung/Bildgeschwindigkeit voreilende oder nachhängende Verschmierungsfehler aufweisen. Selbst wenn diese Fehler viel kleiner als bei dem nicht kompensierten Bilderzeuger sind, führen diese Fehler zu einer kleineren als der optimalen Leistung. Bei durchschnittlicher FMC kann entweder ein Verschluß zwischen den Linsen oder in der Fokalebene gewählt werden.
c. Abgestufte FMC
Wie oben erläutert, sind die Bildverschiebungen nach vorn entweder bei den Bilderzeugungsanwendungen schräg seitlich oder schräg vorwärts nicht an allen Stellen in dem Sichtbereich (FOV) gleich. Um das Problem der ungleichmäßigen Bildverschiebung als Funktion der Stellung des abzubildenden Objekts zu lösen, muß die Ladungsverschiebungsgeschwindigkeit für jede Kolonne (oder Gruppe von Kolonnen) verändert werden. Die vorliegende Erfindung gründet sich auf die abgestufte FMC. Bei Bilderzeugern mit abgestufter FMC wird eine Kombination einer zeitveränderlichen Ladungsverschiebungsgeschwindigkeit und einer von einem Schlitz eines Fokalebenenverschlusses gesteuerten Belichtung verwendet. Bei Bilderzeugern mit abgestufter FMC ist die Geschwindigkeit der Ladungsverschiebung über die Kolonnen der Anordnung gleich, verändert sich jedoch als Funktion des in einem gegebenen Augenblick durch den Schlitz zu belichtenden Abschnitts des Bilderzeugers.
Bei dieser Methode mit abgestufter FMC wird ein Fokalebenenverschluß verwendet, so daß nur ein Abschnitt der Anordnung auf einmal belichtet wird. Mithin bringt die Erfindung die Ladungsverschiebungsgeschwindigkeit in Übereinstimmung mit der Stellung des Verschlusses, wenn er den Chip überquert. Infolge dessen läßt sich die optimale Ladungsverschiebungsgeschwindigkeit entsprechend dem belichteten Abschnitt der Anordnung wählen. Da während der einer gegebenen Geschwindigkeit der Ladungsübertragung zugeordneten Zeit nur ein Bereich belichtet wird, läßt sich eine nominell ideale Bildverschiebungskompensation auf dem Chip erhalten. Hinsichtlich der Konstruktion des Chips der Fokalebenenanordnung ähneln Bilderzeuger mit abgestufter FMC den durchschnittlichen FMC-Bilderzeugern. Jedoch werden bei einem Fernerkundungssystem, das sich auf Bilderzeuger mit abgestufter FMC gründet, die zusätzlichen Verfeinerungen eines Fokalebenenverschlusses und von auf die Änderungen der Bildverschiebung synchronisierten Kolonnentakten genutzt. Beispielsweise stellt 5 das in der schräg nach vorn gerichteten Bilderzeugungsart verwendete Konzept mit abgestufter FMC dar.
Eine Detektoranordnung mit abgestufter FMC weist eine Gruppe von Taktlinien auf, die Ladung für die gesamte Anordnung mit einer Geschwindigkeit über tragen, die proportional der Taktgeschwindigkeit ist. Die Anordnung besteht aus X Kolonnen, von denen jede Ladung mit der gleichen Geschwindigkeit überträgt. Jede Kolonne setzt sich aus einer Anzahl von Bildpunkten zusammen. Das Bildpunktsignal wird längs allen Kolonnen verschoben, wobei mit der Geschwindigkeit der durch den Schlitz zu sehenden Bildverschiebung Schritt gehalten wird. Mithin wird gemäß der vorliegenden Erfindung der sich bewegende Belichtungsschlitz verwendet, um die Belichtungszeit für einen beliebigen Abschnitt der Anordnung zu bestimmen, und um die veränderliche Bildverschiebung über die Anordnung hinweg verfolgen zu können.
d. Segmentierte FMC
Eine vierte Kategorie eines Detektorchips, die als segmentierte FMC bezeichnet wird, kann entweder für den Betrieb mit einer Kamera mit Verschluß zwischen den Linsen oder einer mit Fokalebenenverschluß konstruiert werden. Das Konzept der segmentierten FMC ist in 6 gezeigt. Hier ist der Bereich des Bilderzeugers in eine Anzahl von Segmenten unterteilt, wobei jedes Segment eine Gruppe von Kolonnen ist. Die Größe der Segmente wird von der Größe der Differentialbewegung von "Seite" zu "Seite" der Anordnung und der praktischen Hinzufügbarkeit von noch mehr Segmenten diktiert. Die Systeme der durchschnittlichen FMC und der abgestuften FMC stellen ein Beispiel für ein einzelnes Segment dar. Beispielsweise ist für einen segmentierten Bilderzeuger mit segmentierter FMC mit 16 Segmenten das 16-fache der Ansteuerungen/Takte usw. einer Vorrichtung mit abgestufter FMC erforderlich.
Die in Kolonnen segmentierte Detektoranordnung ist in Abschnitte segmentiert. Jeder Abschnitt ist getaktet, um Ladung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit zu bewegen, um mit unterschiedlichen Bildgeschwindigkeiten Schritt zu halten. Jedes Segment besteht aus einer Anzahl von Kolonnen, von denen jede mit der gleichen Geschwindigkeit Ladung überträgt. Jede Kolonne besteht aus einer Anzahl von Bildpunkten.
Beispielsweise ist eine Anordnung, die in Verbindung mit der segmentierten FMC ausgeführt werden kann, in dem Patent '597 von Lareau offenbart, die durch Verweis darauf hier einbegriffen ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Detektoranordnung mit abgestufter FMC in ein elektrooptisches Fernerkundungssystem einbezogen. Ferner wird bei dem Fernerkundungssystem ein sich bewegender Verschluß oder Schlitz verwendet, um eine Bildverschiebungskompensation in der schräg vorwärts gerichteten Betriebsart, schräg seitlich gerichteten Betriebsart und einer vertikal gerichteten Betriebsart vorzunehmen. Durch Verwendung eines Verfahrens mit Bilderzeuger mit abgestufter FMC werden die potentielle Kompliziertheit der Konstruktion und die Kosten der Fokalebenenanordnung vermindert. Alternativ kann die vorliegende Erfindung unter Verwendung einer in Kolonnen segmentierten Fokalebenenanordnung ausgeführt werden. Die Art und Weise, in der diese FMC-Bilderzeuger funktionieren, wird im folgenden ausführlich beschrieben.
4. Einzelheiten der schräg seitlichen gerichteten Betriebsart
Bildverschiebungen und Funktionsweisen des Bilderzeugers mit abgestufter FMC gemäß der vorliegenden Erfindung werden für die schräg seitlich gerichtete Betriebsart ausführlich beschrieben. Bei der schräg seitlich gerichteten Bildsammelart ist die Kompensation der Bildverschiebung kompliziert. Zwar bleibt die Bildverschiebung in der Richtung monoton, jedoch ist die Größe der Bildverschiebung eine Funktion der Stellung einer gegebenen Kolonne von Bildpunkten in der Fokalebenenanordnung (FPA) relativ zu ihrer Position innerhalb des Formats.
Die Projektion der FPA auf den Boden in einer schräg seitlich gerichteten Betriebsart ist in 7 dargestellt. Je weiter die Projektion einer speziellen Kolonne von Bildpunkten von der Flugspur weg ist, desto langsamer wird sie von dem Szenenbild durchquert. Zur Korrektur dieser in einer Richtung, jedoch ungleich erfolgenden Bildverschiebung durch das gesamte Format können alternative Mittel zur Übertragung der Ladungen längs jeder Kolonne ausgeführt werden.
Beispielsweise besteht ein Verfahren zum Erreichen einer FMC darin, die Kolonnen in Untergruppen von jeweils wenigen Kolonnen zu teilen und Ladungen längs jeder Untergruppe mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit zu übertragen, die für diese Untergruppe als ausreichend angenähert angesehen wird. Dieses in Kolonnen segmentierte FMC-Verfahren ist oben beschrieben. Für jede Untergruppe ist jedoch eine gesonderte Gruppe von einstellbaren Takten erforderlich. Eine solche Gruppe von Takten wird so berechnet, daß sie mit dem besten Kompromiß für eine gegebene Kombination von V/H- und Depressionswinkel funktioniert. Dadurch wird nicht nur die Chipansteuerelektronik sehr viel komplizierter, sondern durch die zusätzliche Kompliziertheit des Detektorchips ist sie schwer, teuer und riskant herzustellen. Durch diese gleichen Faktoren wird oft die letztliche Größe (d. h. die Anzahl der Bildpunkte) einer in Kolonnen segmentierten Bilderzeugungsvorrichtung beschränkt.
Eine alternative Methode gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, das oben beschriebene Handhabungsverfahren zur Ladungsverschiebung mit dem Einbau eines Fokalebenenverschlusses innerhalb der Kamera zu kombinieren. Durch diese Kombination kommt eine abgestufte FMC zustande.
Man erinnere sich beispielsweise an die in 7 dargestellte FPA-Projektion. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in die Anordnung ein Fokalebenenverschluß mit einem Belichtungsschlitz eingefügt, der parallel zu den Kolonnen von CCD-Bildpunkten verläuft. Dieser Verschluß durchquert die Anordnung von links nach rechts und belichtet dabei nacheinander verschiedene Kolonnen von CCD-Bildpunkten für die Zielszene.
Die Funktionsweise einer FPA mit abgestufter FMC ist in 8 dargestellt. Beispielsweise ist an der fernen Stelle 802 des Bildfelds die Größe der Bildverschiebung am kleinsten, wie durch den Pfeil 803 dargestellt ist. An der mittleren Stelle 804 des Bildfelds hat sich die Größe der Bildverschiebung erhöht. An der nahen Stelle 806 des Bildfelds ist die Größe der Bildverschiebung am größten, da diese den dem Flugzeug am nächsten liegenden Objekten entspricht. Die Geschwindigkeit, mit denen Ladung an den Kolonnen nach unten streicht, verändert sich in der Größe gleichmäßig über die gesamte FPA hin. Wenn kein Fokalebenenverschluß an Ort und Stelle ist, könnte diese Ladungsverschiebungsgeschwindigkeit für eine Kolonne oder eine kleine Gruppe von Kolonnen richtig sein, wäre jedoch für alle anderen Kolonnengruppen falsch. Wenn jedoch die Ladungsverschiebungsgeschwindigkeit (für die gesamte FPA) in jedem Moment beständig, jedoch mit der Position des Belichtungsschlitzes im Fokalebenenverschluß veränderlich gestaltet wird, verändert sich die Ladungsverschiebungsgeschwindigkeit derart, daß sich die Ladungsverschiebungsgeschwindigkeit an die Bildverschiebungsgeschwindigkeit in dieser speziellen Kolonne in der Mitte des Belichtungsschlitzes anpaßt. Dieses Prinzip ist in 9A dargestellt, die zeigt, wie sich die Bildverschiebungsgeschwindig keiten als Funktion der Entfernung verändern. Mithin wird von der Anordnung zu einer gegebenen Zeit nur die Bildgeschwindigkeit "gesehen", die der Stellung des Schlitzes entspricht.
Die CCD-Liniengeschwindigkeit wird als Funktion der Schlitzstellung veränderlich gestaltet, damit sie der Bildverschiebungsgeschwindigkeit entspricht, wie in 9B gezeigt ist. Bei Beendigung des Schlitzlaufes wird die gesamte Anordnung bei maximaler Geschwindigkeit ausgelesen. Die Ladungsverschiebung in den unbelichteten Bereichen wird nicht an die richtige Bildverschiebungsgeschwindigkeit angepaßt, jedoch ist das ohne Folgen, da kein Bilderzeugungslicht außerhalb des Belichtungsschlitzbereichs gesammelt wird. Wie in 8 für die schräg seitlich gerichtete Funktionsweise dargestellt ist, ist der Fokalebenenverschluß (oder - schlitz) parallel zu den Ladungsübertragungskolonnen ausgerichtet und wird senkrecht zu den Bildverschiebungen bewegt.
Bei der schräg seitlich gerichteten Funktionsweise liefert die Methode mit Bilderzeuger mit abgestufter FMC eine FMC ohne die zusätzlichen Kompliziertheiten der Konstruktion und der Ladungsverschiebung bei der Methode mit segmentierter FMC. Diese Risiken vermindern sich insbesondere bei großen FPAs sehr stark, beispielsweise bei einer CCD von 9216 × 9216 Bildpunkten.
Zum Verständnis der Geschwindigkeit, mit der Ladung übertragen wird, um die FMC zu vollziehen, ist es nützlich, die Geometrie der Fokalebenenanordnung und des Ziels zu untersuchen. Die schräg seitlich gerichtete Geometrie ist in 10 dargestellt. Bei dieser Geometrie:
F = Brennweite
H = Höhe (ALT)
V = Geschwindigkeit des Flugzeugs
? = Winkel in der Flugspur
θ = Winkel quer zur Flugspur und
γ = Depressionswinkel
Die Position, an der ein Punkt des Ziels auf Grund der Linse auf die Fokalebene (d. h. die CCD) fokussiert wird, ist durch das Verhältnis der geradlinigen Linsenbildübertragung gegeben. Bei der schräg seitlich gerichteten Betriebsart bestimmt die Ableitung der Bildübertragungsbeziehung die Bewegung in der x-Richtung (d. h. V_CCD in der x-Richtung). Bei einer idealen Linse lautet das Bildübertragungsverhältnis: x = F(tanϕ) Man beachte, daß sich bei nicht idealen Linsen dieses Übertragungsverhältnis abhängig von den Fehlern in der Linse ändert (d. h. x = F(tanϕ + k1ϕ3 + k2ϕ5)). Die Stelle, wo ϕ = 0, zeigt die Mitte des Bereichs an, den die Linse "sieht".
Andere Werte als 0 von ? zeigen einen Punkt auf dem Ziel an, der um diesen Winkel von dem Mittelpunkt in der Richtung in der Flugspur getrennt ist.
Die Geschwindigkeit der Veränderung der Entfernung x über die Fokalebene hin in bezug auf die Bewegung in der Flugspur ist gegeben durch:
Die Geschwindigkeit der Veränderung in der Richtung in der Flugspur als Funktion der Zeit wird von der Geometrie des Ziels bestimmt und wird gezeigt durch die Beziehung:
Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Punktes des Ziels über die CCD (dx/dt) hin ist das Produkt der Bewegung über die Fokalebene hin und der Änderung der Richtung in der Flugspur. Die Ladungsübertragungsgeschwindigkeit liegt stets in der Flugspur (längs der Flugrichtung). Mithin wird die Ladungsübertragung- Geschwindigkeit V_CCD (in der Flugspur, d. h. senkrecht zu der Prinzipebene oder längs der Linie B von 10) bestimmt durch:
Mithin ist V_CCD unabhängig von ϕ, wenn θ = 0.
Zur Bestimmung der Veränderung der Ladungsübertragungsgeschwindigkeit längs der Prinzipebene müssen die Tangentialwirkungen anstelle der Bildübertragungswirkungen bestimmt werden. Die effektive Brennweite ist gegeben durch:
Die Positionsveränderung an dem Bildsensor als Funktion der Veränderung in der Richtung quer zur Flugspur ist gegeben durch
Ähnlich wie bei dem Fall mit der Richtung in der Flugspur (d. h. längs der Linie B) ist die Geschwindigkeit V_CCD des Bildes längs der Linie P (gemäß 10) gegeben durch:
Diese Gleichungen beschreiben die Bildverschiebungen, die zur Bilderzeugung in der schräg seitlich gerichteten Betriebsart ausgeglichen werden. Diese Gleichungen lassen sich zur Bildung einer Verweistabelle verwenden, die in dem im folgenden in Abschnitt 7 (b) (i) beschriebenen Kamersteuerungsverarbeitungssystem verwendet wird.
5. Einzelheiten der schrägen seitlichen Betriebsart
Im folgenden werden Bildverschiebungen und Funktionsweisen der beispielhaften FMC-Verfahren ausführlich für schräg vorwärts gerichtete Blickwinkel beschrieben. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden schräg vorwärts gerichtete Verschiebungen durch Verwendung eines Fokalebenenverschlusses für einen Bilderzeuger mit abgestufter FMC kompensiert. Die Vorteile bei der Verwendung der Methode mit abgestufter FMC werden im folgenden mittels eines Vergleichs mit den weiter oben beschriebenen FMC-Methoden beschrieben.
Die schräg vorwärts gerichtete Geometrie ist schematisch in 11 beschrieben. Bei der schräg vorwärts gerichteten Art des Bildsammelns ist die Mittellinie der FPA gerade wie im vertikalen Fall auf die Flugrichtung ausgerichtet. Nunmehr jedoch ist die optische Achse der Kamera vom Nadir (d. h. von dem Punkt direkt unter dem Flugzeug) nach oben gerichtet.
Bei einer in der schräg vorwärts gerichteten Art funktionierenden FPA, die in 12 gezeigt ist, laufen die Bildpunktkolonnen 1202 in der FPA 1203 von "oben" nach "unten". Die Größe der Ladungsverschiebung in der schräg vorwärts gerichteten Ausrichtung verändert sich mit der Stellung längs der Achse Y-Y gemäß 12. Alle Kolonnen teilen sich einen gemeinsamen Wert für Bild- und Ladungsgeschwindigkeiten für einen gegebenen Punkt längs der Achse Y-Y, wohingegen alle Kolonnengeschwindigkeiten längs der Achse X-X gemeinsam sind.
Die Veränderung in der scheinbaren Bildverschiebung in der Flugspur (längs einer Kolonne) ist für alle Reihen ähnlich, jedoch nicht gleich. Die Bildverschiebung ändert sich, wobei sie "oben" langsamer und "unten" schneller ist. Diese Bildverschiebung wird durch Verwendung einer Methode mit abgestufter FMC kompensiert.
Vergleichsweise bewegen Bilderzeuger mit durchschnittlichem FMC-Bereich (die mit ihren Kolonnen parallel zu der Achse Y-Y gemäß 12 ausgerichtet sind) bei der schräg vorwärts gerichteten Funktionsweise Ladung längs allen Kolonnen mit der gleichen Geschwindigkeit. Vorzugsweise wird die Geschwindigkeit so gewählt, daß sie ein Durchschnittswert der Bildverschiebung ist und nur an einem Punkt längs der Achse Y-Y richtig kompensiert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wirken Bilderzeuger mit abgestufter FMC (mit ihren parallel zu der Achse Y-Y ausgerichteten Kolonnen) in der schräg vorwärts gerichteten Art in der gleichen Weise wie bei der schrägen seitlich gerichteten Art mit einer Ausnahme: die Anordnung (der Chip) ist um 90° in bezug auf die Laufrichtung des Belichtungsschlitzes gedreht. Dieses Anwendungsverfahren ist im einzelnen in 13 dargestellt. Der Bildbereich wird von oben nach unten von einem Fokalebenenverschluß durchquert, und die Ladungsverschiebungsgeschwindigkeit verändert sich als Funktion der Stellung dieses Verschlusses längs der Achse Y-Y. Beispielsweise entspricht Stellung 1302 in 13A der Stellung des Belichtungsschlitzes an der fernen Stelle des Bildfeldes, Stellung 1303 entspricht der Stellung des Belichtungsschlitzes an der mittleren Stelle des Bildfeldes und Stellung 1304 entspricht der Stellung des Belichtungsschlitzes an der nahen Stelle des Bildfeldes. Hier ist der Schlitz senkrecht zu den Ladungsübertragungskolonnen ausgerichtet und bewegt sich parallel zu dem Vektor der Bildverschiebung. Wie in FIG. 13B gezeigt ist, verändern sich des weiteren die Geschwindigkeiten der Vorwärtsbewegung des Bildes als Funktion von V/H. Wie in dem oben beschriebenen schräg seitlich gerichteten Fall "sieht" die Anordnung zu einer gegebenen Zeit nur die Bildgeschwindigkeit an der Stellung des Schlitzes. Die CCD-Liniengeschwindigkeit wird in der in 13C gezeigten Weise als veränderlich als Funktion der Schlitzposition gestaltet, um der Bildverschiebungsgeschwindigkeit zu entsprechen. Am Ende des Schlitzlaufs wird die vollständige Anordnung mit maximaler Geschwindigkeit ausgelesen. Mithin kann gemäß. der vorliegenden Erfindung eine ideale Übereinstimmung von Bildverschiebung und Ladungsverschiebung aufrechterhalten werden.
In Kolonnen segmentierte Bilderzeuger können durch Verwendung eines sich bewegenden Fokalebenenverschlusses in der oben erläuterten Weise auch eine Bildbewegungskompensation in der schräg vorwärts gerichteten Betriebsweise vornehmen. Insbesondere ist jedes Kolonnensegment mit der gleichen Geschwindigkeit getaktet, da im wesentlichen keine Differentialverschiebung über die Reihe hin erfolgt. Die Komplizierheiten von mehreren vertikalen Takten und einer CCD-Architektur mit potentiell niedriger Ausbeute sind jedoch noch vorhanden.
Die Gleichungen, welche die schräg vorwärts gerichtete Bildverschiebung V_CCD in der Flugspur beschreiben, sind in einer ähnlichen Weise wie oben in Abschnitt 4 beschrieben hergeleitet. Wieder in 11 ist bei dieser Geometrie:
F = Brennweite
Η = Höhe (?L?)
V = Geschwindigkeit des Flugzeugs
? = Winkel quer zur Flugspur
? = Winkel in der Flugspur und
γ = Depressionswinkel
Das Bildübertragungsverhältnis einer Linse bestimmt die y-Geschwindigkeit des Bildes auf der Fokalebene und wird bestimmt durch: y = F(tanθ)
Die Bildverschiebung auf der Fokalebene als Funktion des Versetzungswinkels ist gegeben durch:
Durch die Zielgeometrie wird die Änderungsgeschwindigkeit des Sehstrahls (LOS) des Bildes folgendermaßen an das Ziel geliefert:
Deshalb ist die Geschwindigkeit der Fokalebene (in der Flugspur) des Bildes gegeben durch:
Bei senkrecht zu der Prinzipebene liegenden Werten (wo θ = 0) ist die effektive Brennweite F_EFF gegeben durch:
Deshalb ist die Änderung in der Position eines Punktes y auf der Fokalebene gegeben durch:
Durch die Zielgeometrie wird vorgesehen:
Deshalb beträgt die Geschwindigkeit des abgebildeten Punktes über die Fokalebene hin:
Man beachte, daß bei dem schräg vorwärts gerichteten Fall, wie die obige Gleichung zeigt, keine Abhängigkeit von dem Winkel Φ besteht, wenn ? = 0. Wie bei dem seitlich schrägen Fall können diese Bildverschiebungsgleichungen zur Bildung einer Verweistabelle genutzt werden, die in dem in Abschnitt 7 (b) (i) beschriebenen Kamerasteuerverarbeitungssystem verwendet wird.
6. Einzelheiten der nach unten gerichteten (vertikalen) Betriebsart
Eine dritte Betriebsart für den Bilderzeuger mit abgestufter FMC gemäß der vorliegenden Erfindung besteht in der gerade nach unten gerichteten (vertikalen) Ausrichtung. Diese ist schematisch in 14 dargestellt. Bei dieser Betriebsart sind die Kolonnen der FPA 1402 so ausgerichtet, daß der Strom in dem wahrgenommenen Bildfeld von "oben nach unten" erfolgt. Die Verschiebungsgeschwindigkeit ist für eine vollkommen vertikal gerichtete, unverzerrte Linse an allen Stellen des Sichtfelds gleich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung bewegen Bilderzeuger mit abgestufter FMC, die mit den Kolonnen parallel zu der Achse Y-Y ausgerichtet sind, Ladung mit der gleichen Geschwindigkeit längs allen Reihen. Die Bildverschiebung wird vollkommen kompensiert, da sie einheitlich ist. Um die FMC zu erzielen, ist weder ein Verschluß zwischen den Linsen noch ein Fokalebenenverschluß erforderlich, auch wenn jede von beiden Arten verwendet werden kann.
Die Funktionsweise einer Detektoranordnung mit abgestufter FMC in der vertikalen Ausrichtung ist schematisch in 15 gezeigt. Da der Bilderzeuger mit abgestufter FMC gemäß der vorliegenden Erfindung bereits mit einem Fokalebenenverschluß für die seitlich und vorwärts gerichteten Betriebsarten ausgestattet ist, kann dieser Verschluß für die vertikale Betriebsart verwendet werden. Da die Bildverschiebung gleichmäßig ist, bleibt die Ladungsübertragungsgeschwindigkeit über die gesamte Verschlußabtastzeit fest. Die Ausrichtung des Verschlusses in Bezug auf die Übertragungskolonnen erfolgt wahlweise, da die Belichtung nicht auf eine spezielle Kolonne als Funktion der Bildverschiebungsgeschwindigkeit beschränkt zu werden braucht. Durch diese Flexibilität kann die Kamera bequemerweise vom seitlich vorwärts zu dem nach unten gerichteten Blick bewegt werden, ohne daß der Chip in Bezug auf den Schlitz gedreht zu werden braucht. In ähnlicher Weise läßt sich eine Kamera, die anfänglich auf den Betrieb in der schräg vorwärts gerichteten Art ausgerichtet ist, zwecks der nach unten gerichteten Betriebsart nach unten drehen, ohne daß der Chip in Bezug auf den Schlitz neu ausgerichtet zu werden braucht.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Fokalebenenverschluß derart ausgerichtet werden, daß der lichtdurchlässige Schlitz entweder quer von Seite zu Seite oder von oben nach unten läuft (wobei seine Ausrichtung in 15 dargestellt ist). Bei der vertikalen Ausrichtung ist die Größe der Ladungsverschiebung mit der Stellung des Belichtungsschlitzes längs der Achse Y-Y konstant und ist für eine gegebene Reihe längs der Achse X-X festgelegt.
7. Bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Die vorliegende Erfindung kann in zahlreichen verschiedenen Fernerkundungssystemen mit heutigen und mit noch zu entwickelnden Kameras, Fokal ebenen und Elektroniksystemen untergebracht werden, die für eine Ladungsübertragungsgeschwindigkeit sorgen können, die über die CCD hin einheitlich ist und sich in Koordination mit der Bewegung des Fokalebenenverschlusses zeitlich verändert. Bei der vorliegenden Erfindung kann eine Vielzahl von möglichen Fokalebenenanordnungen, elektronischen CCD-Bilderzeugungssystemen und elektronischen Systemen verwendet werden, um eine spezielle Reihe von gewünschten Leistungsspezifikationen und Parametern der Betriebsumgebung (beispielsweise Umgebungslichtbedingungen, Flugzeuggeschwindigkeit, Höhe, Entfernung vom Ziel usw.) zu erfüllen. Für den Fachmann ist erkennbar, daß auch andere Ausführungsformen und Konstruktionen zur Erfüllung dieser Spezifikationen und Parameter verwendet werden können. Des weiteren können diese oder andere Ausführungsformen und/oder Konstruktionen verwendet werden, um alternative Spezifikationen und/oder Parameter zu erfüllen.
a. Fokalebenenanordnung
Obwohl die Erfindung mit verschiedenen zahlreichen Konfigurationen der Fokalebenenanordnung verwendet werden kann, wird im folgenden eine bevorzugte Konfiguration der Fokalebenenanordnung in dieser beispielhaften Betriebsumgebung geliefert. Nach der Lektüre dieser Beschreibung wird für den Fachmann erkennbar, wie die Erfindung unter Verwendung anderer Fokalebenenanordnungen ausgeführt werden kann.
i. Größe der Fokalebenenanordnung
Die Größe der Fokalebenenanordnung wird von Leistungserfordernissen und Anwendungsparametern diktiert. Vorzugsweise ist eine Detektoranordnung groß genug, um dem Sichtfeld (FOV) gemäß der Anwendung zu genügen und die erforderliche Leistung (beispielsweise die durch die National Imagery Interpretation Rating Scale (NIIRS)) definierte) aus einer festgelegten Höhe zu erzielen. Beispielsweise kann ein Fernerkundungssystem von hoher Qualität einen NIIRS-Index von annähernd 8 erzeugen. Bei dieser beispielhaften Betriebsumgebung wird eine Allgemeine Bildqualitätsgleichung (GIQE) mit einem Schätzwert für die abgetastete Entfernung von der Erde (GSD) verwendet, um diesen hohen Wert des NIIRS-Indexes zu erzeugen. Bei dieser Analyse erster Ordnung wird angenommen, daß keine Bildverstärkung verwendet wird, eine Systemmodulationsübertragungsfunktion (MTF) von 15% mit Nyquist erzielt wird und das typische GIQE-Signal-Rauschverhältnis bei einem optischen f/4-System mit einer typischen Detektoranordnung bei 20° Sonnenstand etwa 23 : 1 beträgt. Werden Lichtintensität und Kontraste nach Wunsch angewendet, führt das zu einer GSD von etwa 2,4 Zoll zur Erzeugung einer NIIRS-Leistung von 8. Diese oben genannten Standards sind dem Fernerkundungsfachmann bekannt.
Bei der beispielhaften Betriebsausführungsform beträgt das erforderliche Sichtfeld in Querrichtung zur Spur aus einer Höhe von 500 Feet 115°, wodurch eine Erfassung von 1570 Feet quer zur Spur erzeugt wird. Wird diese Erfassung gleichmäßig aufgelöst, sind annähernd 7850 Bildpunkte zur Abtastung mit 2,4 Zoll pro Bildpunkt erforderlich, um über das gesamte Sichtfeld (FOV) hin eine NIIRS-Leistung von 8 zu erzielen. Um eine gewünschte Erfassung von 140° (2747 Feet) zu erzielen, werden annähernd 13737 Bildpunkte zum gleichmäßigen Abtasten des Sichtfelds mit NIIRS von 8 benötigt. In Richtung längs der Spur beträgt das erforderliche Sichtfeld 75° (767 Feet). Diese Erfassungsfläche wird mit annähernd 3836 Bildpunkten bis zu NIIRS 8 abgetastet. Deshalb weist ein bevorzugter Bilderzeuger annähernd zwischen 7850 und 13737 Bildpunkte in Querrichtung zur Spur und mindestens 3 836 Bildpunkte in Richtung längs der Spur auf. Beispielsweise sind für einen Bilderzeuger, dessen Leistung gleichwertig einer Bildreihenkamera mit 100 Megabildpunkten ±20% ist, annähernd zwischen 9 000 mal 9.000 Bildpunkten und 11000 × 11000 Bildpunkte oder ein anderes geeignetes Vielfaches erforderlich. Mithin ist die bevorzugte Fokalebenenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eine großformatige monolithische CCD.
Alternativ kann bei der vorliegenden Erfindung auch ein stufenweise anvisierender Bilderzeuger verwendet werden, der in der zugehörigen Technik bekannt ist. Der Sehstrahl des Bilderzeugers kann umpositioniert werden, indem entweder die Linsenanordnung bewegt wird oder ein Spiegel/Prisma vor der Linse bewegt wird.
Jedoch wird durch Vorgehensweisen mit stufenweiser Anvisierung ein zusätzlicher Grad der mechanischen Kompliziertheit in ein Fernerkundungssystem eingebracht. Des weiteren läßt sich durch mechanisches Zusammenfügen zweier Anordnungen eine größere Erfassung erzielen, und damit werden die mit der stufenweisen Anvisierung zusammenhängenden Probleme beseitigt. Jedoch wird durch die zusätzlichen Kosten beim Abstimmen von vier Chips, die Kompliziertheit der Verarbeitung und den Verlust an dem kritischen Mittelbereich infolge des Zusammenfügens ein unerwünschter Kompromiß für eine Bildreihenkamera geschaffen.
Die oben beschriebenen Fokalebenenanordnungen werden nur beispielhaft vorgesehen. In dem obigen Beispiel wird die Art und Weise dargestellt, in der die Größe der Anordnung für eine spezielle Reihe von Leistungsspezifikationen und Anwendungskriterien gewählt wird. Bei anderen Anwendungen oder Leistungsspezifikationen können andere Größen von Fokalebenenanordnungen ausgeführt werden, wie für einen gewöhnlichen Fachmann erkennbar ist.
ii. Architektur der Anordnung
Um eine ausreichende Ausbeute zu erzielen und einen Bilderzeuger ökonomisch lebensfähig zu machen, ist es wesentlich, daß die Kompliziertheit in der. Konstruktion der Vorrichtung und der Verarbeitung beseitigt wird. Die bevorzugte Architektur der Anordnung für die Reihen im Hauptformatbereich ist die herkömmliche Dreiphasenstruktur, die bekanntlich unkompliziert mit hohen Ausbeuten verarbeitbar ist. Die Kolonnenkonstruktion richtet sich nach der Art der Vorwärtsbewegungskompensation (FMC) auf dem Chip. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine abgestufte (nicht segmentierte) FPA zur Verwendung in einem System genutzt, das sich auf die oben genannte FMC-Methode stützt.
Der funktionelle Grundriß für eine 9216 Bildpunkte mal 9216 Bildpunkte umfassende Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform ist in 16 gezeigt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der CCD-Vollbilderzeuger einen Hauptformatbereich 1602 von 8,1 Zentimeter (cm) mal 8,1 cm auf, der eine Anordnung von 9216 × 9216 Bildpunkten enthält. Jede Bildpunktgröße beträgt annähernd 8,75 Mikrometer (μm) × 8,75 μm. Das serielle Register 1604 am Boden des Hauptformats 1602 weist vier Detektor/Verstärker-Ausgänge 1610–1613 auf. Die Abtastgeschwindigkeit für jeden Ausgang beträgt annähernd 25 Megabildpunkte pro Sekunde. Abhängig von den Erfordernissen der Auslesung kann eine größere oder kleinere Anzahl von Verstärkerausgängen benutzt werden.
Wie oben in Zusammenhang mit 3 und der Beschreibung der Funktionsweise der herkömmlichen CCD in Abschnitt 3 beschrieben, wird während des Integrations- oder Belichtungszeitraums eine elektronische Darstellung eines Bildes ausgebildet, wenn einfallende Photonen freie Elektronen schaffen, die innerhalb der einzelnen Bildstellen gesammelt werden. Diese Photoelektronen werden örtlich durch die Vorspannwirkung der drei "V"-Elektroden 1606 und der von den Kanalsperreinsätzen P+ gebildeten Kolonnengrenzen gesammelt. Diese Kolonnengrenzen sind in 17 als Kanalsperren 1705 dargestellt. 17 stellt auch dar, daß bei einer bevorzugten Ausführungsform mehrphasige V-Gatter 1706 mit seitlichen Busverbindungen verwendet werden.
Nach einer Integrationszeit schließt sich ein Verschluß (beispielsweise ein Fokalebenenverschluß oder ein Zwischenlinsenverschluß, die oben beschrieben sind), um die Beleuchtung auf der Fokalebene zu sperren, und der Auslesezyklus beginnt. Während der Auslesung wird durch Änderung der Potentiale an den Elektroden V₁ , V₂ und V₃ das gesamte Bild in einer Abfolge herausgeschoben, die bewirkt, daß sich Pakete von Signallasten Linie für Linie in das horizontale Ausgangsregister bewegen.
Zurückkommend zu 16 wird während jedes Linienauslesezeitraums die Spannung an den die horizontalen Schieberegister umfassenden Elektroden geändert oder "getaktet", um Bildpunktladungen in den Ausgangsdetektor und die Ver stärkerkonstruktion (1610–1613) zu verschieben. Die Ladungspakete werden nacheinander auf einem kleinen leitfähigen Bereich zwischengespeichert, der "Float-Diffusion" (FD) genannt wird. Dort ändern die Ladungspakete das FD-Potential um einen Wert gleich nq/C, wobei n die Anzahl der Elektronen/Pakete ist, q die Elektronenladung in Coulombs ist und C die FD-Kapazität ist. Die FD-Spannung wird durch eine innerhalb eines Detektor/Verstärkers, beispielsweise eines Verstärkers 1610, angeordnete und chipintegrierte FET-Source-Folgerkonstruktion abgefühlt und an den Signalausgang zwischengespeichert.
Wenn FMC erforderlich ist, wird der normalerweise statische Vorspannstatus für die Spannungen der "V"-Elektrode so modifiziert, daß Ladungspakete mit der Geschwindigkeit übertragen werden, die der Geschwindigkeit der Bildverschiebung senkrecht zu der Linienrichtung der Anordnungsmatrix entspricht. Die Verschiebung der FMC-Ladung erfolgt stets in der gleichen Richtung. Die Geschwindigkeit der Ladungsverschiebung kann sich verändern, da sich die Schlitzöffnung in dem Fokalbenenverschluß in dem CCD-Format von oben nach unten bewegt. Die Verschiebungen der FMC-Linie, zu denen es während des Belichtungszeitraums kommt, sind im Vergleich zu den gesamten Linien des CCD-Formats gering.
Bei einer Ausführungsform besteht eine Methode zur Mehrkanalbetriebsweise darin, nur das horizontale Ausgangsregister 1604 in Segmente zu trennen, wobei jedes Segment eine Ausgangsdetektor/Verstärker-Struktur enthält. Ein spezielles Merkmal dieser Ausgangsregisterkonstruktion ist ein konisch zulaufender Bereich zwischen der letzten aktiven Formatlinie und dem Durchsatzregister. Dadurch wird jeder Zwischenraum zwischen Kolonnen des aktiven Formats beseitigt.
Als Alternative kann eine in Kolonnen segmentierte CCD mit nicht weniger als 16 Segmenten verwendet werden, um eine ausreichende FMC zu erzielen, um Bilder von guter Qualität zu erzeugen. Beispielsweise stellt 18 die Architektur einer in Kolonnen segmentierten CCD-Anordnung 1802 mit N Kolonnensegmenten dar. Wenn die Anzahl N der Kolonnensegmente 16 beträgt, erfordern diese 16 Kolonnensegmente mithin eine Erhöhung der Anzahl von gesonderten variablen V-Takten von 3 auf 48, wobei damit eine Erhöhung der externen elektronischen Ansteuerelemente verbunden ist. Des weiteren erfordert, wie in Einschub 1804 (18B) gezeigt ist, eine in Kolonnen segmentierte Konstruktion eine Metallisierung in dem Bilderzeugungsbereich, wodurch die CCD-Ausbeute erheblich vermindert wird. Außerdem erfordert eine in Kolonnen segmentierte CCD eine erhöhte Anzahl von Kontaktöffnungen (der Stellen, wo das Metall mit den darunter liegenden Strukturen in Kontakt kommt), wie in Einschub 1806 (18A) gezeigt ist. Wie im folgenden erläutert, ist diese weitere Kompliziertheit notwendig, um die in Kolonnen segmentierte Fokalebenenanordnung vertikal zu takten.
iii. Vertikale Taktung
19 stellt ferner einen Abschnitt einer oben in Einschub 1806 (18A) gezeigten, in Kolonnen segmentierten CCD dar. Man beachte, daß die Anordnung 1902 Metallbrücken 1904 über den entsprechenden Kanalsperren mit metallischen Mehrfachkontakten mit Durchgangsöffnungen umfaßt, beispielsweise mit der Kontaktöffnung 1906. Bei Anordnungen mit sehr großen Bereichen sind Polysilicon-Gatterleitungen mit seitlichen Bussen, wie sie in 17 dargestellt sind, viel leichter auszuführen als die in 19 gezeigte kompliziertere Konstruktion mit Metallbrücken. Das Anbringen von Metallbrücken, das gewöhnlich erfolgt, um eine sehr schnelle V-Taktung zustandezubringen, ist ein erforderliches Merkmal für in Kolonnen segmentierte Anordnungen.
Die Ausbeutenbeschränkungen bei Einsatz von Metallbrücken entstehen aus der Notwendigkeit, Öffnungen mit kleinem Durchmesser derart in den isolierenden dielektrischen Beschichtungen vorzusehen, daß die Metallbrücken mit jeder der Polysilicon-Gatterleitungen in Kontakt kommen (siehe beispielsweise die Kontaktöffnung 1906). Wie in 19 gezeigt ist, enthält bei einer dreiphasigen CCD jede Reihe von N Bildpunkten N/3 Kontaktbereiche (einen in jedem dritten Bild punkt). In kleinen Bildpunktvorrichtungen (< 12 μm²) mit ½ bis 1 μm Überlappung der Phasengatter ist sehr wenig Raum in jedem der drei Gatter vorhanden, um die erste Mehrfachschicht anzuätzen und in Kontakt zu bringen. Das wird durch Ausrichtungsungenauigkeiten zwischen Φ₁ , Φ₂ , Φ₃ und der Kontaktschicht weiter erschwert.
Die Kontaktprobleme werden verschlimmert, wenn der Anordnungsbildabschnitt segmentiert ist, beispielsweise in Anordnung 1802 gemäß 18. Um den Informationsverlust zu minimieren, muß der Zwischenraum zwischen Segmenten klein gehalten werden: dennoch muß verhindert werden, daß das Metall über der Kanalsperre einen elektrischen Kurzschluß zwischen benachbarten Segmenten der gleichen Phase verursacht.
Wie oben erwähnt, wird für die Herstellung von Vollfeld-Bilderzeugern ein Bilderzeuger mit abgestufter FMC mit einer Polysilicongatterkonstruktion mit seitlichen Bussen ohne Metallbrücken oder Formatsegmentierung bevorzugt, beispielsweise die in 17 dargestellte Anordnungsstruktur. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann bei der Anordnung von 9216 mal 9216 (mit insgesamt annähernd 85 Megabildpunkten); die mit einem Ausgang von 100 Megabildpunkten pro Sekunde funktioniert, das volle Format in 85/100 oder 0,85 Sekunden ausgelesen werden. Die entsprechende Linienverschiebungszeit beträgt 0,85/9 216 oder 92,2 Mikrosekunden (μs), und das ist die maximale Zeit, die zum Takten jeder Linie zu dem Ausgangsserienregister zulässig ist.
Für Taktung im Stoßbetrieb, wie sie bei TV-Kameras der Fall ist, wo die Linie nur während des horizontalen Austastens verschoben wird, kann sogar eine kürzere Verschiebungszeit erforderlich sein. Obwohl es zu einem Durchgang des Takts in das Video kommt, ist diese Signalkontamination linienkohärent und läßt sich mit einem digitalen gespeicherten Kompensationssignal leicht beseitigen. 20 zeigt ein Modell, das zur Bestimmung der vertikalen Mehrlinienzeitkonstanten für die bevorzugte DDC von 9216 × 9216 Bildpunkten verwendet wird. Auf der Basis des Bildpunktwiderstands (R_PIX) und der auf der rechten Seite des Modells 2002 aufgeführten Werte der Bildpunktkapazität (C_PIX) wird ein Zeitkonstantenwert (T) von 11,3 Mikrosekunden (μs) berechnet. Dieser Wert T unterstützt die Taktung vollständig mit einem bevorzugten Linienzeitabstand von 92,2 μs.
iv. CCD-Bilderzeuger
Die technischen Daten des CCD-Bilderzeugers bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind im folgenden in Tabelle 1 aufgeführt. Wie der Fachmann erkennen wird, können auch andere CCDs mit anderen technischen Daten verwendet werden.
6. Systemelektronik
In 21 ist ein Blockschaltbild einer beispielhaften Architektur einer Systemelektronik dargestellt. Bei dieser beispielhaften Architektur umfaßt die Kameraunterstützungselektronik 2100 einen Bilderzeugungabschnitt 2104 und eine Elektronikeinheit 2106. Gemäß dieser beispielhaften Architektur umfaßt der Bilderzeugungsabschnitt 2104 eine Bilderzeugungselektronik 2108 mit einem Analogprozessor 2110, ein thermoelektrisches (TE) Kühlersteuerelement 2116, eine Verschlußbelichtungssteuerung 2114 und die FPA- (oder CCD)-Ansteuerelektronik 2112. Diese elektronischen Einheiten werden zur Befehlsgabe und zur Kommunikation mit der Fokalebenenanordnung 2123 in Verbindung mit den oben erläuterten FMC-Verfahren verwendet. Wie oben beschrieben, sammelt eine Linse 2120 das Zielbild auf der FPA 2123. Über die FPA 2123 läuft ein Fokalebenenverschluß 2121 mit einer Geschwindigkeit, die der Bildverschiebung der in der Szene betrachteten Objekte entspricht. Die Geschwindigkeit, mit welcher der Verschluß 2121 die FPA 2123 überquert, sowie die Schlitzbreite des Verschlusses 2121 werden auf der Basis der Befehle der Bilderzeugungselektronik 2108 bestimmt. Das TE-Kühlersteuerelement 2116 steuert einen TE-Kühler 2114, der die Betriebstemperatur der FPA 2123 aufrechterhält. Die Kamerasteuerelektronik umfaßt auch ein Netzteilmodul 2145.
Die Kamera-Unterstützungselektronik 2100 umfaßt auch eine Elektronikeinheit 2106 zur schließlichen Verarbeitung des Bildes der Zielszene bei Betrachtung durch die FPA 2123. Die Elektronikeinheit 2106 umfaßt den Kamera-Zentralrechner (oder die CPU) 2140, zwei digitale Vorprozessoren 2130 und 2131, die Datenverdichtungselektronik 2134, die Bandaufzeichnerschnittstelle 2138 und einen Aufzeichner DCRSI 240 2139. Die digitalen Vorprozessoren 2130 und 2131 nutzen die ASIC-Technologie. Des weiteren steuert die Kamera-CPU 2140 die CCD-Taktgeschwindigkeit und deren Veränderung zur Ausführung der FMC. Die Funktionsweise dieser einzelnen Bauteile wird im folgenden ausführlich erläutert. Wenn im folgenden nichts anderes angemerkt ist, können diese elektronischen Bauteile herkömmliche elektronische Bauteile sein, die in der Technik bekannt sind. Wie für den Fachmann erkennbar ist, können auch alternative Architekturen zur Erfüllung dieser Funktionen ausgeführt werden.
i. Kamerasteuerungsverfahren
Die in 21 dargestellten elektronischen Bauteile werden zur Ausführung der FMC gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Ein beispielhaftes FMC-Verfahren, bei dem diese elektronischen Bauteile verwendet werden und das auf den oben in den Abschnitten 4 und 5 beschriebenen Bildverschiebungsgleichungen beruht, ist in 22 gezeigt.
22 ist ein Ablaufschema, in dem das Kamerasteuerungsverfahren gemäß einer Ausführungsform beschrieben ist. Zur Steuerung der Lichtintensität gehören Entscheidungspunkte und einfache Verweistabellen in den Schritten 2206 und 2208. In beiden 21 und 22 beginnt das Verfahren am Anfang eines Bildfeldes bei Schritt 2202, wo die zu der Kamera laufende Eingangslichtintensität von einem Lichtsensor, beispielsweise einem Lichtsensor 2122, gemessen wird. Diese Lichtintensität wird in Schritt 2204 mit einer Standard-Lichtintensität verglichen. Beispielsweise beträgt die gewählte Standard-Lichtintensität 277 Foot-Candela, was einem Sonnenstand von annähernd 3° über dem Horizont entspricht. Bei hohen Sonnenständen (> 277 Foot-Candela) wird die Entscheidung getroffen, die Verweistabelle für die Primärbelichtungszeit zur Bestimmung der Belichtungszeit zu verwenden (Schritt 2208). Bei längeren Belichtungszeiten (> 2 Millisekunden (ms)), die für schwache Umgebungsbeleuchtungsbedingungen erforderlich sind, wird die Verschlußgeschwindigkeit bis auf annähernd 50 Zoll/Sekunde verlangsamt, um die Schlitzbreite eng genug für die abgestufte FMC zu halten. Bei kurzen Belichtungszeiten (≤ 2 ms) wird eine Verschlußgeschwindigkeit von annähernd 300 Zoll pro Sekunde gewählt.
Bei den schwächsten Umgebungslichtbedingungen wird eine Belichtungszeit aus der Verweistabelle für Belichtungszeiten bei schwachem Licht bestimmt (Schritt 2206). Bei dieser Tabelle werden die Augenblickswerte von Flugzeuggeschwindigkeit, Höhe und Kamerablickwinkel zu Beginn jedes Bildfeldes zusätzlich zu der Lichtintensität verwendet. Ein Beispiel dafür, wann die Verweistabelle für Belichtungszeiten bei schwachem Licht verwendet wird, ist dann, wenn die gemessene Lichtintensität < 277 Foot-Candela beträgt, beispielsweise wenn der Sonnenstand weniger als 3° beträgt. Auf der Basis der Aufgabenerfordernisse können auch andere Schwellwerte für die Bedingung mit dem schwächsten Umgebungslicht definiert werden.
Der Ausgangswert aus den Belichtungszeit-Verweistabellen, Schritt 2206 oder 2208, ist die optimale Belichtungszeit und Wahl einer Verschlußgeschwindigkeit. Die entsprechende Schlitzbreite wird in Schritt 2210 bestimmt, wo die Schlitzbreite als Produkt von Belichtungszeit und Verschlußgeschwindigkeit gewählt wird. Dementsprechend läßt sich die Belichtungszeit durch Division der Schlitzbreite durch die Verschlußgeschwindigkeit bestimmen.
Sobald die Belichtungszeit für jedes Bildfeld bestimmt ist, wird in Schritt 2212 das CCD-Taktungsprofil zur Ausführung der FMC berechnet. Bei einer Ausführungsform wird dieses Profil durch den Hauptrechner 2140 (in Schritt 2212) bestimmt. In Schritt 2212 wird eine Verweistabelle, die auf den oben in den Abschnitten 4 und 5 beschriebenen Gleichungen der Bildverschiebungsgeschwindigkeiten in der Spur (abhängig von der schräg gerichteten Betriebsart) mit den folgenden Eingaben verwendet: Belichtungszeit; Flugzeuggeschwindigkeit V; Flugzeughöhe H; Depressionswinkel der Kamera (für den Flug festgelegt); Kameraanbringungsstelle (für den Flug festgelegt); Verschlußauslöseimpuls; und Brennweite. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren am Beginn jedes Kamerabildfelds neu eingeleitet. Das entstandene FMC-Taktsignal wird zwecks Ausführung der FMC zu der Bilderzeugungselektronik 2108 geleitet (Schritt 2214).
ii. CCD-Ansteuerelektronik
Die CCD-Ansteuerelektronik (beispielsweise die CCD-Ansteuerelektronik 2112 aus 21) umfaßt zwei wesentliche Teile, einen Zeitgeber und eine Taktansteuerstufe. Diese Elemente sind im einzelnen in 23 gezeigt, die eine beispielhafte Konstruktion zur Ausführung von optimaler CCD und optimaler Systemtaktung darstellt.
Wie in 23 gezeigt ist, wird ein Haupttaktsignal von 150 MHz (an der Stelle 2302) durch sechs geteilt, um den örtlichen Bildpunkttakt von 25 MHz zu liefern, von dem alle CCD-Takte und digitalen Steuerungen hergeleitet sind. Der Horizontalzähler 2304 liefert eine Zeitbasis für Bildpunktzählvorgänge, zu denen die Definition des vertikalen Verschiebungsabstands an dem vertikalen FPA-Taktgeber 2310 und die Taktung der horizontalen Ausgangsregister an dem horizontalen FPA-Taktgeber 2311 gehören. Der Vertikalzähler 2306 liefert ebenfalls eine Zeitbasis in der Vertikalrichtung der CCD. Alternativ können auch Takte mit höherer Frequenz verwendet werden, um für größere Glättung bei den vertikalen Takten zu sorgen.
An den horizontalen und den vertikalen Takten werden Mehrabgriffsverzögerungsleitungen 2314a–b verwendet, um winzige Verfeinerungen in den Phasenverhältnissen zu ermöglichen und dadurch eine Optimierung der Wirksamkeit der vertikalen und der horizontalen Ladungsübertragung zu ermöglichen.
Des weiteren wird der 25-MHz-Takt zwischengespeichert und zeitversatzkompensiert, um für eine synchrone Zeitgabe sowohl an den Analog-Digital-Videoabtastwandlern (ADC) als auch an der nachfolgenden digitale Vorverarbeitung zu sorgen.
An der Bildfeldsynchronisierungseinheit 2319 werden Synchronisierungssignale in Form von Bildfeld- bzw. Liniensynchronisierungen 2320a–b erzeugt. Diese Synchronisierungssignale synchronisieren die digitalen Vorprozessoren 2130 und 2131 (in 21) mit dem quantisierten Videostrom.
24A und 24B stellen beispielhafte Bildfeld- und Linienzeitgabe-Ausgangsimpulse 2402 bzw. 2404 dar. Bei den oben beschriebenen beispielhaften Betriebsbedingungen werden die Linien- und Bildfeldzeitgaben folgendermaßen hergeleitet:
Linien-Zeitgabe
9216 Bildpunkte/Linie ÷ 4 Segmente = 2304 Bildpunkte pro Segment 2304 aktive Bildpunkte + 10 Vor-/Nachabtastungen = 2314 Bildpunkte/Linie 2314 Bildpunkte ÷ 25 MHz + 10 μs (vertikaler Taktabstand) = 102,6 μs/Linie = 9747 Linien/Sekunde
Bildfeld-Zeitgabe
9216 aktive Linien + 20 Vor-/Nachabtastungen = 9236 Linien/Bildfeld Ablesezeit = 9236 × 102,6 μs = 0,9472 Sekunden Maximale Belichtungszeit (bei 50 BpS) = 0,0638 Sekunden Bildfeldzeit = 0,9472 + 0,0638 = 1,011 Sekunden/Bildfeld = 0,989 Bildfelder/Sekunde
iii. Vorwärtsbewegungskompensation (FMC)
Wie oben in Abschnitt 3 erläutert, wird während der CCD-Belichtungspause das in der CCD ausgebildete Ladungsmuster, das dem optischen Bild entspricht, mit der Geschwindigkeit verschoben, mit der sich das Bild verschiebt, um die Wirkung der Vorwärtsbewegung des Flugzeugs zu kompensieren. Diese Bewegung des Ladungsmusters erfolgt durch Anlegen von vertikalen Übertragungssignalen mit variabler Taktgeschwindigkeit an die CCD während der Belichtungszeit. Zurückkommend auf 21, werden diese Signale in den Taktwellenformgeneratoren der CCD-Ansteuerelektronik 2112 erzeugt und werden von der CPU 2140 sowohl hinsichtlich Frequenz als auch Dauer gesteuert. Das V/H-Signal wird von dem Hauptrechner 2140 so interpretiert, daß auf der Geschwindigkeit basierende vertikale CCD-Verschiebungsbefehle (zu sehen in 22, CCD-Taktsteuerung 2214) am einen (oben im einzelnen erläuterten) Zeitgeber geliefert werden, der seinerseits der CCD befiehlt, sich zwecks Bewegungskompensation zu verschieben. Zur FMC kommt es während der Integration der CCD. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich alle CCD-Takte in inaktivem Zustand, bis sie von dem Prozessor angewiesen werden, zwecks FMC eine vertikale Verschiebung auszuführen.
Die vertikalen Taktansteuerelemente bewegen die Ladung durch die Integrationsstellen und in das horizontale Ausgangsregister (siehe 16). Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liefern die vertikalen Taktansteuerelemente 2310 eine Spitze-Spitze-Ansteuerwellenform von 10 Volt in die Gatterkapazität von 4 Nanofarad (nf). Ein typischer CCD-Auslesewert gemäß der vorliegenden Erfin dung beträgt annähernd 9747 Hz. Während der FMC kann die vertikale Übertragung jedoch bis auf 12 KHz ansteigen. Beispielsweise kann bei einer bevorzugten Ausführungsform ein bekanntes Ansteuerelement MIC4451 (hergestellt von MICREL Semiconductor, Inc. in San Jose, CA) als vertikales Ansteuerelement 2310 verwendet werden. Andere bekannte Ansteuerelemente können auf der Basis von Kosten- und Leistungsgesichtspunkten ebenfalls verwendet werden.
Die horizontalen Taktansteuerelemente 2311 bewegen die Ladung durch das horizontale Register zu dem Float-Diffusionsabschnitt (FD) (der Verstärker 1610– 1613 in 16), wo das Ausgangsspannungssignal gebildet wird. Diese horizontalen Ansteuerelemente liefern eine Spitze-Spitze-Wellenform bis zu 10 Volt mit der Bildpunktgeschwindigkeit von 25 MHz in die 115-Pikofarad-Kapazität (pf). Da gegenwärtig keine befriedigenden monolithischen Schaltungsansteuerelemente verfügbar sind, kann eine in der Technik bekannte Schaltung von diskreten Bauelementen verwendet werden. Die horizontalen und die vertikalen Ansteuerelemente weisen jeweils einstellbare Verschiebungs- und Verstärkungsfähigkeiten auf, so daß jede einzelne Anordnung auf optimale Leistung abgestimmt werden kann.
iv. Verschlußbelichtungssteuerung
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Belichtung der CCD durch zwei Fokalebenenfunktionen gesteuert: die Breite des Belichtungsschlitzes des Fokalebenenverschlusses und die Geschwindigkeit des Belichtungsschlitzes (beispielsweise des in 21 dargestellten Verschlusses 2121). Bei anderen Ausführungsformen kann die Belichtung durch eine von beiden Funktionen allein gesteuert werden. Wie oben erwähnt, beträgt bei einer bevorzugten Ausführungsform die Breite des Schlitzes annähernd 0,1 Zoll bis 0,5 Zoll, und die Geschwindigkeit des Belichtungsschlitzes beträgt bei kürzeren Belichtungszeiten annähernd 300 Zoll pro Sekunde und bei längeren Belichtungszeiten 50 Zoll pro Sekunde. Mithin kann die Geschwindigkeit des Belichtungsschlitzes über die FPA hin abhängig von der erforderlichen Vorwärtsbewegungskompensation konstant oder verschieden sein.
Bei der dargestellten Ausführungsform wird der Ausgang aus dem vorhandenen Lichtsensor (beispielsweise aus dem Lichtsensor 2122 in 21) von der Verschlußbelichtungssteuerschaltung 2114 digitalisiert. Ein beispielhaftes Blockschaltbild zur Belichtungssteuerung ist in 25 gezeigt. Das Lichtsensorsignal 2502 wird in Verweistabellenwerte umgerechnet, die nach dem Zwischenspeichern (am Pufferspeicher 2504) und der Digitalisierung (am A/D-Wandler 2506) in der Verweistabelle 2508 stehen, um die Geschwindigkeit 2510 und die Schlitzbreite 2512 des Verschlusses 2512 gesondert anzusteuern. Ein beispielhaftes Belichtungssteuerprofil ist in 26 gezeigt, wo die Belichtungszeit als Funktion der Schlitzbreite dargestellt ist. Eine beispielhafte Graphik für optimierte Belichtungszeiten für die CCD unter standardmäßigen Tageslichtbedingungen ist eine Funktion des Sonnenstandswinkels nach der Darstellung in 27 ist. Es sei angemerkt, daß sich die Beleuchtungsintensitäten unter Bedingungen der Morgen- und der Abenddämmerung sehr stark ändern. Auch tritt der in 27 mit einem Sternchen (*) angezeigte Stufe infolge eines vor dem Bilderzeuger eingesetzten Filters auf.
Wie oben in Zusammenhang mit 22 beschrieben, ist die Belichtungszeit (t) der CCD, welche die von dem Schlitz zum Lauf an jedem Bildpunkt vorbei benötigte Zeit ist, gegeben durch: t = w/s wobei w = Schlitzbreite in Zoll und s = Verschlußgeschwindigkeit in Zoll/Sekunde. Bei einer bevorzugten Ausführung wird die Belichtungszeit von dem einfallenden Licht festgelegt. Da die endgültige Signalamplitude von einer automatischen Verstärkungssteuerfunktion (AGC) in den digitalen Vorbearbeitungsabschnitten 2130 und 2131 gesteuert wird, stellt diese Offenkreissteuerfunktion, welche die an der Filmkamera verwendete simuliert, die bevorzugte Vorgehensweise dar.
Beispielsweise folgen die Belichtungszeiten bei Lichtintensitäten bis hinab zu 3° Sonnenstand (d. h. dem Niveau von 277 Foot-Candela) den in 27 gezeigten Kurven. Unterhalb dieser Lichtintensitäten (im wesentlichen bei Abenddämme rung) wird die Belichtungslänge durch die errechneten Bildverschiebungsschwankungen über den Chip hin beschränkt. Kamerabrennweite, V/H und Depressionswinkel werden verwendet, um bei den sehr schwachen Lichtintensitäten, wie weiter oben in 22, Schritt 2206 gezeigt, ordnungsgemäße Verweistabellenbelichtungen zu wählen.
v. Digitaler Vorprozessor
Bei einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt, wie im einzelnen in 28A und 28B gezeigt ist, eine digitale Vorverarbeitung auf zwei identischen Leiterplattenanordnungen (CCAs) 2802 und 2804. Die CCA 2802 verarbeitet Eingaben aus den Kanälen 1 und 2, und die CCA 2804 verarbeitet Eingaben aus den Kanälen 3 und 4. Diese CCAs entsprechen jeweils den in Blockschaltbildform in 21 dargestellten digitalen Vorprozessoren 2130 und 2311.
Da CCA 2802 und CCA 2804 ähnlich sind, werden nur die Elemente beschrieben, die CCA 2802 umfassen. Bei einer Ausführungsform werden die CCD-Bildpunktdaten in dem statischen Hochgeschwindigkeits-RAM (SRAM) gespeichert, der als First-in/First-out-Speicher (FIFO-Speicher) konfiguriert ist (siehe Stelle 2810). Dieser FIFO-Speicher wirkt als Linienpuffer, um schadhafte Bildpunkte leichter durch Verarbeitung der nächsten Nachbarn ersetzen zu können. Schadhafte Bildpunkte werden beim Test im Labor und beim Kennzeichnen der CCD erkannt. Lagestellen dieser schadhaften Bildpunkte werden als (X, Y)-Koordinaten in programmierbaren Festwertspeichern (PROMs) 2815 auf der digitalen Vorprozessorplatte gespeichert. Diese Lagestellen werden mit den (X, Y)-Koordinaten der FPA verglichen, wenn diese ausgelesen wird. Wenn eine Übereinstimmung besteht, wird der schadhafte Bildpunkt durch eine bekannte Verarbeitungsroutine für den nächsten Nachbarn ersetzt. Durch diese Anwendung wird die Kompliziertheit der Hardware vermindert, die für die Korrektur von schadhaften Bildpunkten bei der 9216 × 9,216 messenden FPA erforderlich ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Speicheradressierung von einem auf einer frei programmierbaren logischen Anordnung (FPGA) basierenden Zeitgeber 2814 erzeugt, der synchron und tandemartig mit dem CCD-Zeitgeber 2812 auf dem EO-Modul CCA 2802 läuft. Bei dem CCD-Zeitgeber 2812, der durch den Bildfeld- und Liniensynchronisator 2809 synchronisiert wird, wird der Videoabtasttakt von 25 MHz verwendet. Durch diese synchrone Funktionsweise wird jede Möglichkeit beseitigt, daß unkorreliertes Rauschen in das Video eingebracht wird.
Die Speicher 2815 werden in die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) 2820 ausgelesen. Die Videodaten von 12 Bit im Gesamtmeßbereich sind gleichwertig der Sättigung der CCD. Bei den meisten Funktionsszenarien nimmt das Videosensorsignal nur einen Bruchteil des dynamischen Bereichs von 12 Bit bei einem A/D-Wandler ein. Spiegelnde Reflexionen, die sich als Störungen mit. hoher Intensität bemerkbar machen, werden mit einem digitalen Tiefpaßfilter inner halb der ASIC 2820 heraussubtrahiert. Unschärfen, die sich als DC-Pegel bemerkbar machen (d. h. ohne Anzahl in den unteren Bereichen des Grauwerthistogramms), werden ebenfalls an ASIC 2820 heraussubtrahiert. Durch die automatische Verstärkungsregelungs-Funktionalität (AGC) in ASIC 2820 werden die maximale und die minimale Amplitude der Signale erfaßt und wird ein Laufmittelwert über mehrere Linien aufrechterhalten. Dann wird die AGC-Verstärkung eingestellt, um den dynamischen 8-Bit-Bereich voll nutzen zu können. Durch diese Wandlung von 12 auf 8 Bit werden die unwesentlichen Video-Informationen beseitigt und dabei die tatsächlichen Bilddaten bewahrt. Ferner befinden sich die 8-Bit-Daten im richtigen Format für die Bildbussteuerung ASIC 2824 und den Datenverdichter 2825. Durch die Wirkung der AGC wird die Sensorleistung optimiert, und die Ursprungsdatengeschwindigkeit wird ohne Verschlechterung des ursprünglichen Bildes um 30% vermindert.
Die Beleuchtungskorrektur (Vignettierung) erfolgt am Chip 2822 durch Anlegen von Konekturkoeffizienten (beispielsweise für die 1''-, 3''- und 12''-Linsen) an den Verstärkungsausgang der AGC ASIC 2820. Während der Eichung in der Firma werden Kurven für die Dämpfung der Beleuchtung über die FPA hin aufgestellt. Der Kehrwert dieser Kurven wird in den programmierbaren Festwertspeicher (PROM) 2815 einprogrammiert, wodurch diese Verstärkungskorrekturen in das Video eingeführt werden.
Wie angemerkt, können die oben beschriebenen elektronischen Bauteile herkömmliche, in der Technik bekannte elektronische Bauteile sein. Wie für den Fachmann erkennbar ist, können alternative Architekturen zur Erfüllung der vorgenannten Funktionen ausgeführt werden.
4. Schlußbemerkung
Zwar wurden oben verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, es versteht sich jedoch, daß diese nur beispielhaft und nicht einschränkend dargestellt wurden. Mithin sollten Weite und Umfang der vorliegenden Erfindung durch keine der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt werden, sondern sollten nur gemäß den folgenden Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert werden.

Claims

Elektrooptisches Fernerkundungssystem mit: einer Fokalebenenanordnung (2123) mit einem Hauptformatbereich mit einer Mehrzahl von in Reihen und Kolonnen angeordneten lichtempfindlichen Zellen, wobei die Fokalebenenanordnung so konfiguriert ist, daß sie ein projiziertes Bild einer Szene erfaßt und das Bild in eine elektronische Ladungsdarstellung des Bildes umwandelt; und einem Verschluß (2121) mit einem steuerbaren Belichtungsschlitz nahe an der Fokalebenenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß der Belichtungsschlitz zur Definierung von Belichtungsbereichen über die Fokalebenenanordnung hinweg bewegt wird, wobei jeder Belichtungsbereich eine zugeordnete Bildverschiebung aufweist, die über den Belichtungsbereich hinweg im wesentlichen gleichmäßig ist, und daß die das Bild darstellenden elektronischen Ladungen mit einer Ladungsübertragungsgeschwindigkeit übertragen werden, die der Bildverschiebung in dem zugeordneten, von dem Belichtungsschlitz des Verschlusses belichteten Belichtungsbereich entspricht, wenn der Belichtungsschlitz über die Fokalebenenanordnung hinweg bewegt wird.
Elektrooptisches Fernerkundungssystem nach Anspruch 1, des weiteren mit: einer Kamerasteuerelektronikeinheit (2106, 2108), die die Mehrzahl von lichtempfindlichen Zellen mit einem Taktsignal für einen der Ladungsübertragungsgeschwindigkeit entsprechenden belichteten Bereich der Fokalebenenanordnung ansteuert, wobei das Taktsignal einer Position des Belichtungsschlitzes und der Bildverschiebung entspricht.
Elektrooptisches Fernerkundungssystem nach Anspruch 2, wobei eine Breite und eine Geschwindigkeit des Belichtungsschlitzes verstellbar sind, und wobei die Kamerasteuerelektronikeinheit (2106, 2108) die Breite des Belichtungsschlitzes steuert.
Elektrooptisches Fernerkundungssystem nach Anspruch 3, wobei die Fokalebenenanordnung eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) ist.
Elektrooptisches Fernerkundungssystem nach Anspruch 4, wobei die Fokalebenenanordnung des weiteren folgendes umfaßt: ein horizontales Ausgaberegister (1604) mit einer vorbestimmten Anzahl von Segmenten, wobei jedes der Segmente eine Konstruktion aus Ausgabedetektor und Verstärker (1610) umfaßt.
Elektrooptisches Fernerkundungssystem nach Anspruch 2, wobei das Fern erkundungssystem in einem Fahrzeug installiert ist, das sich in Vorwärtsrichtung bewegen kann, und wobei die Kamerasteuerelektronikeinheit (2106, 2108) folgendes umfaßt: einen Bilderzeugungselektronikabschnitt (2108) mit einem Analogprozessor (2110) zum Verarbeiten der das Bild darstellenden übertragenen elektronischen Ladungen, eine Antriebselektronik (2112) für die Fokalebenenanordnung (FPA) zum Generieren des Taktsignals zum Ansteuern der FPA, eine Steuereinheit (2114) für die Verschlußbelichtung zum Steuern der Verschlußparameter; wobei die Verschlußparameter die Breite des Verschlußschlitzes und die Geschwindigkeit des Verschlußschlitzes umfassen; eine Signalverarbeitungselektronikeinheit (2106) mit einem mit der FPA-Ansteuerelektronik und mit dem Analogprozessor verbundenen Digital-Präprozessor zum Aufnehmen und Weiterverarbeiten der elektronischen Ladungsdarstellung des Bildes und zum Absetzen eines digitalen verarbeiteten Bildsignals; und einer zentralen Kameraverarbeitungseinheit (CPU (2140) zum Verarbeiten von Auftragsparametereingaben und zum Liefern von verarbeiteten Auftragsparameterinformationen an den Bildverarbeitungsbereich, um für eine Vorwärtsbewegungskompensation (FMC) des Bildes zu sorgen.
Elektrooptisches Fernerkundungssystem nach Anspruch 6, des weiteren mit: einer Linse (2120) zum Fokussieren der Szene auf die Fokalebenenanordnung; einem mit einem Ausgang des Signalverdichtungsmittels verbundenen Signalregisteriermittel (2139) zum Registrieren eines vorwärtsbewegungskorrigierten Bildes der Szene; und einer Leistungsversorgung (2145) zum Liefern von Leistung für die Kamerasteuerelektronikeinheit.
Elektrooptisches Fernerkundungssystem nach Anspruch 7; des weiteren mit: einem mit der Verschlußsteuereinheit in Verbindung stehenden Lichtsensor (2122); und einem thermoelektrischen Kühlelement (2124) zum Steuern einer Betriebstemperatur der Fokalebenenanordnung.
Elektrooptisches Fernerkundungssystem nach Anspruch 8, wobei die Fokalebenenanordnung an einer mit dem Fahrzeug verbundenen verstellbaren Halterung angebracht ist, wobei das elektrooptische Fernerkundungssystem eine Vorwärtsbewegungskompensation in einer schrägen Vorwärtsbetriebsart, einer schrägen seitlichen Betriebsart und einer vertikalen Betriebsart vornimmt.
Elektrooptisches Fernerkundungssystem nach Anspruch 6, wobei die Verschlußsteuereinheit folgendes umfaßt: einen Puffer (2504) zum Empfangen eines die Beleuchtungsbedingungen der Szene anzeigenden Lichtsensor generierten Signals; einen mit dem Puffer verbundenen Analog-Digital-Wandler (2506) zum Umwandeln des Lichtsensorsignals in ein digitales Signal; und eine Verweistabelle (2508) zum Umwandeln des digitalisierten Signals in einen Verweistabellenwert zum Ansteuern des Verschlusses, wobei die Verweistabelle Ansteuersignale (2510, 2512) absetzt, die der Geschwindigkeit des Verschlußschlitzes und der Breite des Verschlußschlitzes entsprechen.
Elektrooptisches Fernerkundungssystem nach Anspruch 6, wobei die, FPA-Steuerelektronik folgendes umfaßt: einen Taktgeber zum Generieren eines Haupttaktsignals und zum Liefern von Anzeigen der Fokalebenenanordung und der FMC, wobei das Haupttaktsignal durch einen vorbestimmten Wert dividiert wird, um ein örtliches Taktsignal abzusetzen; einen horizontalen Zähler (2304) zum Liefern einer Zeitbasis für Bildpunktzählvorgänge; einen vertikalen Zähler (2306) zum Liefern einer Zeitbasis in der vertikalen Richtung der Fokalebenenanordung; einen mit dem horizontalen und dem vertikalen Zähler verbundenen horizontalen Taktgeber (2311) zum Absetzen eines horizontalen Taktsignals an die Fokalebenenanordung; einen mit dem horizontalen und dem vertikalen Zähler verbundenen vertikalen Taktgeber (2310) zum Absetzen eines vertikalen Taktsignals an die Fokalebenenanordung; und eine mit dem horizontalen und dem vertikalen Zähler verbundene Bildsynchronisierungseinheit (2319) zum Generieren von Bildsynchonisierungssignalen und Zeilensynchronisierungssignalen.
Elektrooptisches Fernerkundungssystem nach Anspruch 11, wobei die FPA-Steuerelektronik des weiteren folgendes umfaßt: eine Mehrzahl von Mehrabgriffs-Verzögerungsleitungen (2314) zum Definieren eines Phasenverhältnisses der horizontalen und der vertikalen Signale.
Elektrooptisches Fernerkundungssystem nach Anspruch 11, wobei der digitale Präprozessor folgendes umfaßt: eine Schaltungskartenanordnung (CCA) zum Verarbeiten von Eingaben von dem Bilderzeugungselektronikabschnitt.
Elektrooptisches Fernerkundungssystem nach Anspruch 13, wobei die CCA folgendes umfaßt: einen als Silospeicher (FIFO) konfigurierten statischen Direktzugriffsspeicher (SRAM) (2810) zum Speichern von Bildpunktdaten von der Fokalebenenanordnung, wobei der FIFO-Speicher das Auswechseln von fehlerhaften Bildpunkten bei der nächstliegenden benachbarten Verarbeitung erleichtert; einen mit den Bildsynchronisierungs- und Zeilensynchronisierungssignalen verbundenen Taktgeber; einen mit dem Taktgeber verbundenen Adreßgenerator (2814) für frei programmierbare logische Anordnungen (FPGA) zum Generieren von Speicheradressierungen; einen mit dem FPGA-Adreßgenerator verbundenen, nur einmal programmierbaren Festwertspeicher (PROM) (2815) zum Speichern von Plätzen der fehlerhaften Bildpunkte; eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) (2820) für die automatische Verstärkungsregelung (AGC) zum Vermindern der Bildpunktdaten ohne Verschlechterung des Originalbildes, wobei die Bildpunktdaten von einer Zwölf-Bit-Form zu einer Acht-Bit-Form vermindert werden; einen Beleuchtungschip (2822) zum Korrigieren von Abschattungswirkungen des Bildes; und einen mit der ASIC-AGC verbundenen Bildbus zum Empfangen des Acht-Bit-Datenformats.
Elektrooptisches Fernerkundungssystem nach Anspruch 14, wobei die ASIC-AGC (2820) Mittel zum Aussubtrahieren von auf dem Bild enthaltenen spiegelnden Reflexen, zum Aussubtrahieren von auf dem Bild enthaltenen Dunstanteilen und zum Aufrechterhalten einer laufenden Durchschnittsanzahl der Bilddaten umfaßt.
Elektrooptisches Fernerkundungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Vornehmen einer Vorwärtsbewegungskompensation, wobei das Fernerkundungssystem in einem in Vorwärtsrichtung bewegbaren Fahrzeug eingebaut ist, wobei die Fokalebenenanordnung auf das Betrachten der Szene in einer schrägen Vorwärtsbetriebsart ausgerichtet ist, wobei der Verschluß ein Fokalebenenverschluß ist, und wobei der Belichtungsschlitz parallel zu einer Richtung von einer von den Reihen und Kolonnen ausgerichtet ist.
Elektrooptisches Fernerkundungssystem nach Anspruch 16, des weiteren mit: einer Linse (2120) zum Fokussieren der Szene auf die Fokalebenenanordnung (2, 23); einer Kamerasteuerelektronikeinheit (2106, 2108), welche die Mehrzahl von lichtempfindlichen Zellen mit einem Taktsignal für einen der Ladungsübertragungsgeschwindigkeit entsprechenden belichteten Bereich der Fokalebenenanordnung ansteuert, wobei eine Breite und eine Geschwindigkeit des Belichtungsschlitzes verstellbar sind, wobei die Kamerasteuerelektronikeinheit die Breite des Belichtungsschlitzes steuert, wobei das Taktsignal einer Position des Belichtungsschlitzes und der Geschwindigkeit des Belichtungsschlitzes entspricht, und wobei das Taktsignal einer Bewegungsgeschwindigkeit von Gegenständen entspricht, die in einem Abschnitt der von der die Fokalebenenanordnung betrachteten Szene enthalten sind.
Elektrooptisches Fernerkundungssystem nach Anspruch 16, des weiteren mit: einer Linse (2120) zum Fokussieren der Szene auf die Fokalebenenanordnung; und einer Kamerasteuerelektronikeinheit (2106, 2108), welche die Mehrzahl von lichtempfindlichen Zellen mit einem Taktsignal für einen der Ladungsübertragungsgeschwindigkeit entsprechenden belichteten Bereich der Fokalebenenanordnung ansteuert, wobei eine Breite und eine Geschwindigkeit des Belichtungsschlitzes verstellbar sind, wobei die Kamerasteuerelektronikeinheit die Breite des Belichtungsschlitzes steuert, und, wobei das Taktsignal einer Position des Belichtungsschlitzes und der Bildgeschwindigkeit in dem Bereich der von dem Belichtungsschlitzes des Verschlusses belichteten Szene entspricht.
Elektrooptisches Fernerkundungssystem nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, wobei das Taktsignal gemäß einer in einer Spur erfolgenden Bildbewegung generiert wird, wobei die in einer Spur erfolgende Bildbewegung von
bestimmt wird, wobei F = Brennweite ALT = Höhe des Fahrzeugs V = Geschwindigkeit ? = Winkel in der Spur und γ = Depressionswinkel
Elektrooptisches Fernerkundungssystem nach Anspruch 16, wobei die Fokalebenenanordnung eine kolonnensegmentierte ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) ist.
Verfahren zum Bereitstellen einer Vorwärtsbewegungskompensation (FMC) für ein elektrooptisches Fernerkundungssystem in einem vorwärtsbewegbarem Fahrzeug, wobei das elektrooptische Fernerkundungssystem einen bewegbaren Belichtungsschlitz eines Verschlusses (2121) und eine Fokalebenenanordnung (2123) umfaßt, die so konfiguriert ist, daß sie ein projiziertes Bild einer Szene erfaßt und das Bild in eine elektronische Ladungsdarstellung des Bildes umwandelt; mit den folgenden Schritten: (1) dem Bewegen des Verschlußbelichtungsschlitzes zur Definierung von Belichtungsbereichen über die Fokalebenenanordnung hinweg, wobei jeder Belichtungsbereich eine zugeordnete Bildverschiebung aufweist, die über den Belichtungsbereich hinweg im wesentlichen gleichmäßig ist, (2) dem Übertragen der das Bild darstellenden elektronischen Ladungen mit einer Ladungsübertragungsgeschwindigkeit, die der Bildverschiebung in dem zugeordneten, von dem Verschlußbelichtungsschlitz belichteten Belichtungsbereich entspricht, wenn der Belichtungsschlitz über die Fokalebenenanordnung hinweg bewegt wird; (3) dem Messen (2202) einer Lichtintensität einer durch das Fernerkundungssystem abzubildenden Szene; (4) dem Vergleichen (2204) der gemessenen Lichtintensität mit einem vorbestimmten Lichtintensitätswert; (5) dem Ermitteln (2206, 2208) einer Belichtungszeit durch Vergleichen der gemessenen Lichtintensität mit einer Verweistabelle für Belichtungszeiten; (6) dem Bestimmen (2212) einer der Belichtungszeit und den Eingaben für die Aufgabenparameter entsprechenden Vorwärtsbewegungskompensationsprofils, und (7) dem Senden (2214) eines dem Vorwärtsbewegungskompensationsprofil entsprechenden Signals an eine Elektronikeinheit des elektrooptischen Fernerkundungssystems zum Vornehmen des FMC.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei Schritt (5) die folgenden Schritte umfaßt: (a) (2208) das Bestimmen einer Belichtungszeit durch Vergleichen der gemessenen Lichtintensität mit einer primären Verweistabelle für Belichtungszeiten, wenn die gemessene Lichtintensität größer als der vorbestimmte Wert der Lichtintensität ist; und (b) (2206) das Bestimmen einer Belichtungszeit durch Vergleichen der gemessenen Lichtintensität mit einer Verweistabelle für geringe Belichtungs zeiten, wenn die gemessene Lichtintensität kleiner als der vorbestimmte Wert der Lichtintensität ist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei Schritt 5(a) des weiteren die folgenden Schritte umfaßt: das Senden eines der bestimmten Belichtungszeit entsprechenden Verschlußgeschwindigkeitssignals an eine Verschlußbelichtungsteuereinheit, wobei eine schnellere Verschlußgeschwindigkeit kürzeren Belichtungszeiten entspricht, und wobei eine langsamere Verschlußgeschwindigkeit längeren Belichtungszeiten entspricht.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei Schritt 5(b) des weiteren die folgenden Schritte umfaßt: (2212) das Nutzen einer Gruppe von momentanen Aufgabenparametern zum Bestimmen der Belichtungszeit, wobei die Gruppe von momentanen Aufgabenparametern mindestens eines von der Flugzeuggeschwindigkeit, der Flugzeughöhe und dem Kamerablickwinkel umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 21, des weiteren mit dem folgenden Schritt: (2210) dem Bestimmen einer Belichtungsschlitzbreite für den Belichtungsschlitz, die dem Produkt aus Belichtungszeit und Belichtungsschlitzgeschwindigkeit entspricht.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das in Schritt (6) bestimmte Vorwärts bewegungskompensationsprofil einer Wert der Verweistabelle entspricht, wobei die Verweistabelle auf der Basis von Gleichungen zu der in der Spur erfolgenden Bildverschiebungsgeschwindigkeit berechnet wird, und wobei in den Gleichungen zu der in der Spur erfolgenden Bildverschiebungsgeschwin digkeit eine Gruppe von Aufgabenparametereingaben genutzt wird, die folgendes umfassen: Flugzeuggeschwindigkeit V; Flugzeughöhe H; Depressionswinkel der (für den Flug befestigten) Kamera; Einbaustelle der (für den Flug befestigten) Kamera; Verschlußauslöseimpuls; und Brennweite.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das elektrooptische Fernerkundungssystem in einer schrägen Vorwärtsbetriebsart funktioniert, wobei die in einer Spur erfolgende Bildbewegung von
bestimmt wird, wobei F = Brennweite ALT = Höhe V = Geschwindigkeit des Flugzeugs ? = Winkel in der Spur ? = Winkel quer zur Spur und γ = Depressionswinkel
Verfahren nach Anspruch 26, wobei, das elektrooptische Fernerkundungssystem in einer schrägen Vorwärtsbetriebsart funktioniert, wobei die in einer Spur erfolgende Bildbewegung von
bestimmt wird, wobei F = Brennweite ALT = Höhe V = Flugzeuggeschwindigkeit ? = Winkel in der Spur und γ = Depressionswinkel