DE3432469C2

DE3432469C2 -

Info

Publication number: DE3432469C2
Application number: DE3432469A
Authority: DE
Inventors: Fritz Dipl.-Ing. 8000 Muenchen De Haberl
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1984-09-04
Filing date: 1984-09-04
Publication date: 1988-10-20
Also published as: FR2569842A1; JPH058963B2; JPS6166109A; US4672220A; FR2569842B1; DE3432469A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Detektion und Positionsbe stimmung eines Objektes mit einem aus mindestens einer Zeile von Detek torelementen bestehenden optoelektronischen Detektor, mit einer Auslese elektronik, mittels welcher die Detektorelemente zeilenweise sukzessive ausgelesen werden, wobei die Signalinhalte zumindest eines Teiles der Detektorelemente gespeichert werden.

Aus der DE-OS 24 43 791 ist ein aus Detektorelementen bestehender opto elektrischer Detektor bekannt, der derart ausgelesen wird, daß aus den Signalinhalten der innerhalb eines verschiebbaren Fensters gelegenen De tektorelemente fortlaufend Summensignale gebildet werden. Das Fenster wird dabei durch eine Marke erzeugt, die mehrere nebeneinandergelegene Detektorelemente beleuchtet bzw. abschattet. Die Marke wird mittels optischer Mittel erzeugt und auf mechanische Weise über den Detektor geführt. Dabei stellt die Marke selbst das zu detektierende "Objekt" dar und korrespondiert durch geeignete optische Mittel mit einem Bildpunkt auf einer Vorlage.

Zur Signalverarbeitung werden nur die Signale solcher Detektorelemente herangezogen, die 50% der (konstanten) Ausleuchtung überschreiten. Die Signalauswertung geschieht dabei nur als ja/nein-Aussage und die Positi onsauswertung nur durch Auszählen der beleuchteten Bildelemente. Die Positionsbestimmung kann dabei nie genauer als ±1 Detektorelement sein. Eine Änderung der Fensterbreite ist bei dieser bekannten Einrich tung nicht vorgesehen und wäre nur durch eine konstruktive Veränderung der Marke möglich. Es wird auch vorausgesetzt, daß die Marke bei der Positionserfassung ruht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der obengenannten Art zu schaffen, mittels welcher die Detektion lichtschwacher Objekte, insbesondere bewegter Objekte, er möglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung geht davon aus, daß die Empfindlichkeit eines optoelektri schen Detektors, also die Unterscheidbarkeit eines Nutzsignals von dem Rauschsignal gesteigert werden kann, wenn die Signalinhalte mehrerer, nebeneinander liegender und von einem Objekt beleuchteter Detektorele mente aufaddiert werden. Betrachtet man beispielsweise als Signaleinheit die in einem Detektorelement eines CCDs erzeugte Ladung, so wächst die Gesamtladung aufgrund des Fotoeffektes bei Addition über n- Detektorele mente linear, die Gesamtladung aufgrund des Rauschens jedoch nur mit ν n. Die Erfindung ermöglicht nun, daß die Signalinhalte mehrerer, innerhalb eines Fensters gelegener Detektorelemente aufaddiert werden, wobei das Fenster schrittweise über eine Detektorzeile geschoben wird. Ein Optimum an Empfindlichkeit erhält man, wenn nur diejenigen nebenein anderliegenden Detektorelemente für die Addition herangezogen werden, die für die Dauer der Belichtungszeit (= Reziprokwert der Ausleserate) von dem zu detektierenden Objekt erfaßt werden, d. h., wenn die Breite des Fensters der Größe der Abbildung des Objektes während der Belich tungszeit entspricht. Ist die Fensterbreite größer, werden mehr Rausch signale hinzuaddiert, ohne Erhöhung des Nutzsignals; ist das Fenster kleiner als die abgebildete Objektbreite, so verliert man für die Addi tion brauchbare Nutzsignale.

Es ist daher wichtig, daß mit der erfindungsgemäßen Einrichtung die oben erwähnte Fensterbreite leicht variiert werden kann. Dies geschieht vorteilhafterweise durch die Verwendung eines im folgenden noch näher beschriebenen FIFO-Speichers. Da sich weiterhin das für eine bestimmte Position eines Detektorelementes ergebene Signal aus der Summe der Si gnale ergibt, die sich innerhalb des vorgegebenen Fen sters (Zeilenabschnittes) liegen, müßte beim Weiter schieben des Fensters jedesmal aufs Neue dieser Addi tionsvorgang ablaufen. Die erfindungsgemäße Einrichtung vereinfacht dieses Weiterschieben des Fensters, d. h. also das Auslesen des Detektors dadurch, daß das je weils neue Summensignal von dem vorangehenden Summen signal ausgeht, dem lediglich der Signalinhalt des in Abtastrichtung vor dem ursprünglich betrachteten Fen sters stehenden Detektorelementes zuaddiert und der Si gnalinhalt des letzten Detektorelementes innerhalb des Fensters davon subtrahiert wird. Würde beispielsweise das Fenster einen Zeilenabschnitt von 8 Detektorelemen ten umfassen, und würde die Ausleserate für das ein zelne Detektorelement z. B. 1 MHz betragen, so wäre bei jeweils erneuter Summenbildung eine Rechengeschwindig keit von 8 MHz bzw. 125 ns erforderlich; da sich der Rechenaufwand pro Abtastschritt auf nur zwei Operationen beschränkt, wird eine Rechengeschwindigkeit von 2 MHz bzw. 0,5 µsec benötigt. Auch zur Durchführung dieser Operation ist der oben erwähnte FIFO-Speicher besonders geeignet, was im folgenden anhand der Ausführungs beispiele noch näher erläutert wird.

Von den im folgenden beschriebenen Figuren zeigen im einzelnen

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines optoelektrischen Detektors mit in m- Zeilen und n- Spalten angeordneten Detektorelementen,

Fig. 2a + b den Signalverlauf längs einer Detektorzeile eines, während der Belichtungszeit unbewegten und bewegten leuchtenden Objektes bei Einzelauswertung der Detektorelemente,

Fig. 3 den Signalverlauf eines während der Belichtungszeit bewegten Objektes bei Auslesen der Detektorelemente,

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Einrichtung unter Verwendung eines Multiplexers,

Fig. 5 ein Zeitdiagramm,

Fig. 6 ein Blockschaltbild für eine Einrichtung unter Verwendung eines Datenbus-Systems.

Fig. 1 zeigt in schematischer Weise den Aufbau des lichtempfindlichen Teiles eines optoelektrischen Detek tors, beispielsweise eines CCDs (Charge-Coupled Device), bei dem die einzelnen Detektorelemente in m- Zeilen und n- Spalten angeordnet sind. Die Anzahl der Detektorelemente pro Zeile bzw. Spalte beträgt typischerweise 256. Die durch Fotoeffekt aber auch durch Rauschen erzeugte Ladung q _i eines Detektorele mentes mit den Koordinaten x _i und y _j wird zeilen weise sukzessive in einer, in der CCD-Technik bekannten Weise abgefragt, verstärkt und in ein digitales Signal umgewandelt.

Für den Fall, daß mit einem derartigen Detektor in einem Satelliten beispielsweise die Position eines lichtschwachen Sternes ermittelt werden soll, ist es von Bedeutung, ob sich während der Belichtungszeit eines Detektorelementes der darauf abgebildete Stern verschiebt. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Belichtungszeit sehr lange dauert oder wenn sich der Satellit zusammen mit dem Detektor um eine Spin achse dreht. In Fig. 2a ist der Signalverlauf bei Ein zelauslese der Detektorelemente in der Zeile y _i dar gestellt, wenn sich der Stern bzw. der auf dem Detektor abgebildete Lichtfleck nicht bewegt. Der Auslesezyklus, d. h. also die Belichtungszeit pro Detektorelement, ist hier so gewählt, daß die Ladung q _i des von dem Licht fleck voll getroffenen Detektorelementes deutlich über der durch Rauschen hervorgerufenen Ladung q _R liegt.

Würde sich nun gemäß Fig. 2b der Lichtfleck während der Belichtungszeit bewegen, und zwar, wie im dargestellten Falle, in der Ausleserichtung, so würde bei gleicher Auslesegeschwindigkeit wie bei Fig. 2a die durch den Fotoeffekt entstehende Ladung auf mehrere, neben einanderliegende Detektorelemente gleichmäßig verteilt und die jeweilige Ladung q _i eines Detektorelementes würde erheblich unter dem Rauschsignal q _R liegen.

Werden jedoch die Ladungen innerhalb eines Zeilenabschnit tes aufaddiert, welcher aus jeweils exakt so vielen Detektorelementen besteht, wie während der Belichtungs zeit von dem Lichtfleck erfaßt werden, so kommt an stelle des in Fig. 2b dargestellten Signalverlaufs der in Fig. 3 dargestellte zustande, wobei das Maximum dieses Signalverlaufs das Rauschsignal q _R nun deut lich übersteigt.

Der Auslesevorgang selbst wird anhand der Fig. 1 näher erläutert: Jedem Detektorelement mit den Koordinaten y _j und x _i wird ein Summensignal Q _i zugeordnet, welches sich aus der Summe der Ladungen q _i-w bis q _i der Detektorelemente mit den Koordinaten y _j und x _i-w bis x _i zusammensetzt. Das Summensignal Q _i beinhaltet somit die Signalinhalte von w nebeneinander liegenden Detektorelementen, also eines Zeilenabschnit tes der Weite w mal Größe eines Detektorelementes. Das Summensignal Q _i wird zum einen für den weiteren Aus lesevorgang zwischengespeichert, zum anderen als Aus lesesignal für eine weitere Signalverarbeitung, z. B. für die Ermittlung des Bildmittelpunktes der Strah lungsquelle an eine, in diesem Zusammenhang nicht mehr interessierende Elektronik weitergegeben.

Der nächste Abtastschritt, also die Bildung des nächst folgenden Summensignals Q _i _{+ 1} für das Detektorelement mit den Koordinaten y _i und x _i _{+ 1} geschieht dadurch, daß von dem gespeicherten Summensignal Q _i der Signalinhalt q _i-w des am linken Rand des zuvor er faßten Zeilenabschnittes befindlichen Detektorelementes mit den Koordinaten y _j und x _i-w subtrahiert und weiterhin der Signalinhalt q _i _{+ 1} des vor dem rechten Rand des Zeilenabschnittes befindlichen Detektor elementes mit den Koordinaten y _j und x _i _{+ 1} hinzuad diert. Der Zeilenabschnitt mit dem Summensignal Q _i _{+ 1} ist damit gegenüber dem Zeilenabschnitt mit dem Sum mensignal Q _i um den Abstand eines Detektorelementes nach rechts gerückt und beinhaltet wiederum die gleiche Anzahl w von Detektorelementen. Das neue Summensignal Q _i _{+ 1} wird nun anstelle des vorhergehenden Summensi gnals Q _i wiederum zwischengespeichert bzw. zur weite ren Verarbeitung weitergegeben, wobei der zwischen gespeicherte Wert für den nächsten Abtastschritt, also zur Bildung des nächsten Summensignals Q _i _{+ 2} zur Verfügung steht, usw. Auf diese Weise wird der Detektor Zeile für Zeile sukzessive ausgelesen.

In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild für eine elektro nische Schaltung dargestellt, mit der sich das oben be schriebene Ausleseverfahren durchführen läßt. Die von einem gemäß Fig. 1 aufgebauten Detektor, z. B. einem CCD, gelieferten Signale werden im Takt einer an sich bekannten Kontrollelektronik CONTROL, einem Vorverstär ker AMP zugeführt und in einem Analog- Digital-Wandler A/D digitalisiert. Diese Bauteile sind aus der Bildaufnahmetechnik auf CCD-Basis bekannt. Am Ausgang des Analog-Digital- Wandlers A/D liegen dann seriell die digitalisierten Signalinhalte q _i der Detektorelemente an. Das Signal q _i wird einmal auf den Eingang M ₂ eines Multi plexers MUX 1 und zum anderen über den Eingang M ₁ eines weiteren Multiplexers MUX 2 auf den Eingang eines FIFO-Speichers gegeben. Am Eingang M ₂ des Multi plexers MUX 2 liegt der Festwert "0" an. Der Ausgang des FIFO-Speichers ist mit einem wei teren Eingang M ₁ des Multiplexers MUX 1 verbunden. Der Ausgang des Multiplexers MUX 1 liegt auf einem Ein gang A eines Addier- bzw. Subtrahiergliedes ALU (= Arithmetic Logic Unit, im weiteren Rechenwerk ge nannt), z. B. vom Typ SN 54181. Der zweite Eingang B des Rechenwerkes ALU ist mit dem Ausgang O eines Zwischen speichers ACCU, z. B. vom Typ SN 54194 verbunden. Der Eingang I des Zwischenspeichers ACCU ist mit dem Ausgang Z des Rechenwerkes ALU verbunden.

Die vorbeschriebenen Bauteile MUX 1, MUX 2, FIFO, ALU und ACCU besitzen Takt- bzw. Steuereingänge, die mit der Kontrollelektronik CONTROL verbunden sind, wobei der Ablauf dieser Takt- und Steuersignale aus dem Zeitdiagramm gemäß Fig. 5 sowie aus der folgenden Funk tionsbeschreibung hervorgeht:

Vor Beginn des Abfragevorganges jeder Zeile y _j wird im Zeilenrücklauf (sh. Fig. 5) der Inhalt des Zwi schenspeichers ACCU mittels des als Reset-Signal ver wendeten Steuersignals S ₂ gelöscht. Ebenfalls im Zei lenrücklauf wird der Multiplexer MUX 2 so angesteuert, daß über einen Schreibtakt Φ _w für die Dauer S ₂ = H der Festwert "0" so oft in den FIFO-Speicher ein geschrieben wird, wie der zukünftig zu betrachtende Zeilenabschnitt lang sein soll, also die Anzahl w der für ein Summensignal herangezogenen Detektorelemente. Mit dem Zeilenstart erfolgt die Auslese der Detektor elemente x, einer Zeile y _j mit dem Kameratakt Φ. Die Verarbeitung jedes Detektorelementes x _i dieser Zeile benötigt zwei Takte: Mit dem ersten Takt wird der Signalinhalt q _i mit einem Schreibtakt Φ _w in den FIFO-Speicher geschrieben und gleichzeitig über den Multiplexer MUX 1 und das Rechenwerk ALU mit einem Takt Φ _A zum jeweiligen Inhalt des Zwischenspeichers ACCU hinzuaddiert. Mit einem zweiten Takt wird der jeweils zuerst im FIFO-Speicher gespeicherte Wert mittels eines Lesetaktes Φ _R selektiert und über den ent sprechend vom Signal S ₁ angesteuerten Multiplexer MUX 1 im gleichzeitig vom Signal Φ _A entsprechend ange steuerten Rechenwerk ALU vom Inhlt des Speichers ACCU subtrahiert. Das Resultat liegt am Ausgang Z des Rechenwerkes ALU an, von wo es wiederum mittels des Signals Φ _A in den Zwischenspeicher ACCU transferiert wird und dem jeweiligen Summensignal Q _i entspricht.

Wie man leicht erkennt, werden am Anfang jeder Zeile die Signalinhalte der ersten w Detektorelemente ledig lich aufaddiert, da die ersten w Signale, die im FIFO gespeichert sind, als Null vorgegeben waren. Erst mit i ϕ w wird ein im FIFO gespeicherter Signalinhalt eines Detektorelementes bei der Bildung eines Summensignals Q _i von einem vorher gespeicherten Summensignal Q _{i -1} subtrahiert und damit das komplette Fenster (Zeilen abschnitt mit w Detektorelementen) um einen Schritt weitergeschoben.

Fig. 6 zeigt eine Modifizierung der Schaltung gemäß Fig. 4, bei der anstelle der Multiplexer ein Datenbus system verwendet wird. Außerdem ist ein Register REG vorgesehen, in dem ein Schwellenwert Q _S gespeichert ist. Die Signalinhalte q _i der Detektorelemente sowie der Festwert "0" werden über Bustreiberstufen BT mit sog. 3-state-Ausgängen, z. B. vom Typ SN 54368, auf einen mit dem Eingang A des Rechenwerkes ALU verbunde nen Datenbus DBS gegeben. Ebenso sind Ein- und Ausgang des FIFO-Speichers sowie des Registers REG, welcher beispielsweise vom Typ SN 54194 ist, mit dem Datenbus verbunden. Die Ansteuerung der 3-state-Ausgänge der Bauteile BT, REG und FIFO geschieht über eine Kontroll elektronik CONTROL bzw. über einen Decoder DEC, z. B. vom Typ SN 54138, in der oben beschriebenen Reihen folge. Zu Beginn des Auslesevorganges einer neuen Zeile y _j wird wiederum der Zwischenspeicher ACCU gelöscht. Dann wird in einem Zwischentakt der im Register REG gespeicherte Wert Q _S vom Inhalt des Zwischenspeichers ACCU subtrahiert und das Ergebnis wieder in den Zwi schenspeicher ACCU eingegeben; im Zwischenspeicher ACCU steht nun ein negativer Wert von der Größe des vorgege benen Schwellwertes Q _S. Daraufhin wird der Festwert "0" in der vorgesehenen Anzahl w in den FIFO-Speicher eingeschrieben, analog zu dem in Fig. 4 beschriebenen Vorgang. Auch die Aufsummierung der seriell anliegenden Signalinhalte q _i der Detektorelemente erfolgt in gleicher Weise wie unter Fig. 4 beschrieben wurde. Da jedoch nun im Zwischenspeicher ACCU ein negativer Wert vorgegeben wurde, ist auch das Ausgangssignal des Rechenwerkes ALU solange negativ, solange das laufende Summensignal Q _i den Schwellwert Q _S nicht über schreitet. Dies äußert sich darin, daß das bei einem Rechenwerk ALU vom Typ SN 54181 abgreifbare Vor zeichenbit einen negativen Wert anzeigt. Zur Weiter verarbeitung werden nur solche Summensignale Q _i herangezogen, die ein positives Vorzeichen aufweisen. Da jedoch die am Ausgang des Rechenwerkes ALU anliegen den Summensignale Q _i um den Schwellwert Q _S redu ziert sind, ist es zur Weiterverarbeitung zweckmäßig, den Schwellwert Q _S wieder hinzuzuaddieren. Dies kann mit der vorhandenen Schaltung ebenfalls geschehen, wenn der Schwellwert Q _S und der Inhalt des Zwischen speichers ACCU addiert werden, ohne daß der Zwischen speicher getaktet wird.

Claims

1. Einrichtung zur Detektion und Positionsbestimmung eines Objektes mit einem aus mindestens einer Zeile von Detektorelementen bestehenden optoelektronischen Detektor, mit einer Ausleseelektronik, mittels welcher die Detektorelemente zeilenweise sukzessive ausgelesen werden, wobei die Signalinhalte zumindest eines Teiles der Detektorelemente gespeichert werden, gekennzeichnet durch

a) einen Zwischenspeicher (FIFO), der die Signalinhalte q _i einer vorgegebenen Anzahl w von Detektorelementen (y _j, x _i-w bis x _i), welche einen Zeilenabschnitt vorgegebener Länge bilden, fortlaufend speichert,
b) ein Rechenwerk (ALU) zur Bildung eines laufenden Summensignals Q _i aus den Signalinhalten q _i des Zeilenabschnittes sowie
c) einen Speicher (ACCU) für das Summensignal Q _i und dadurch gekennzeichnet, daß
d) das Rechenwerk (ALU) zum Zwecke des sukzessiven Auslesens und zur Bildung eines nächstfolgenden Summensignals Q _i _{+ 1} dem Summensignal Q _i aus dem Speicher (ACCU) den Signalinhalt q _i ₊₁ des jeweils vor dem Zeilenabschnitt stehenden Detektorelementes (y _j, x _{i +1}) zu addiert und den Signalinhalt q _i-w des jeweils letzten Detektorele mentes (y _j, x _(i-w)≧0) des Zeilenabschnittes aus dem Zwi schenspeicher (FIFO) subtrahiert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenwerk (ALU) das laufende Summensignal Q ₁ mit einem vorgegebenen Schwellwert Q _S vergleicht.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert Q _S im Speicher (ACCU) als negatives bzw. positives Signal gespeichert und im Rechenwerk (ALU) zur Bildung des ersten Summensignals Q _i _{= 1} dem Signalinhalt q _i _{= 1} des ersten Detektorelementes (y _j, x _i _{= 1}) einer Zeile zuaddiert bzw. davon subtrahiert wird.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen mit einem Eingang (A) des Rechenwerkes (ALU) verbundenen Multiplexer (MUX 1), einen ausgangsseitig mit dem ersten Eingang (M ₁) des Multiplexers (MUX 1) verbundenen FIFO-Speicher (First-in-First-Out Memory) als Zwischenspeicher sowie den eingangsseitig (I) mit einem Ausgang (Z) des Rechenwerkes (ALU) verbunden Speicher (ACCU) und gekennzeichnet dadurch, daß der jeweilige digitalisierte Signalinhalt q _i der Detektorelemente (y _j, x _i) sowohl an einem zweiten Eingang (M ₂) des Multiplexers (MUX 1) als auch an dem Eingang des FIFO-Speichers anliegt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein mit einem Eingang (A) des Rechenwerkes (ALU) verbundenes Datenbussystem (DBS), an dem über 3-state-Ausgänge der von dem Datenbussystem (DBS) gespeiste FIFO-Speicher, ein Schwellenre gister (REG), der Festwert "0" und der digitalisierte Signalinhalt q _i der Detektorelemente anliegen, und dem eingangsseitig (I) mit dem Ausgang (Z) des Rechenwerkes (ALU) und ausgangsseitig (O) mit einem Eingang (B) des Rechenwerkes (ALU) verbundenen Speicher (ACCU).

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch ein mit einem dritten Eingang des Multiplexers (MUX 1) oder dem Datenbussystem (DBS) verbundenes Schwellenregister (REG).