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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Feststellen der
Richtung des Energiezentrums eines Licht strahlenden Gegenstandes mittels eines
Objektivs, das von dem genannten Licht strahlenden Gegenstand auf einem
photoempfindlichen Detektor ein Bild erzeugt.
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Eine besonders nützliche Anwendung der Erfindung liegt im Bereich der
Beobachtung Licht strahlender Gegenstände, wie z.B. die Sonne, insbesondere zum
Ausrichten von Bodenradar oder zum Überwachen des Verhaltens von Flugkörpern zu
ihrem Ziel.
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Unter den Vorrichtungen zum Feststellen der Richtung des
Energiezentrums eines Licht strahlenden Gegenstandes der eingangs beschriebenen Art, sind
Sonnensucher bekannt, die als photoempfindlichen Detektor einen eindimensionalen
Ladungstransferstreifen verwenden. Solche Sucher haben jedoch den Nachteil, daß sie
nur eine Information liefern in bezug auf die Richtung des betreffenden Licht
strahlenden Gegenstandes, d.h. die Stelle des Schwerpunktes des Bildflecks auf der Achse des
Streifens.
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Um diesen Nachteil auszuschalten und folglich mit dem Ziel die beiden
Informationsanteile zu erhalten, die Richtung des Energiezentrums des beobachteten
Licht strahlenden Gegenstandes völlig zu ermitteln, kann Gebrauch gemacht werden von
einem durch eine Ladungstransfermatrix gebildeten photoempfindlichen Detektor. Diese
Vorrichtungen, beispielsweise von dem von der Firma Thomson-CSF unter der
Bezeichnung TH 7863 vermarkteten Typ, sehen aus wie ein in zwei Teile aufgeteiltes
Mosaik von Bildelementen: wobei eine erste Hälfte, die photoempfindliche Zone, die
von dem betreffenden Gegenstand herrührende Lichtstrahlung empfingt und detektiert,
und die zweite Hälfte, die mit einem lichtundurchlässigen Film bedeckt ist, als Speicher
wirksam ist, in dem die von der ersten Hälfte der Matrix empfangenen
Informationsanteile durch Ladungstransfer gespeichert werden. Diese Verringerung der Oberfläche
um einen Faktor 2 führt dazu, daß der Gesichtsbereich beschränkt wird, was
insbesondere nachteilig ist, wenn man eine Vorrichtung verwirklichen möchte, durch
welche die Richtung eines Licht strahlenden Gegenstandes auf unabhängige Weise
ermittelt werden kann, d.h. ohne Hilfsausrüstung, die den Sucher zunächst grob in
Richtung des gesuchten Gegenstandes bewegen würde. Dazu ist es bequem, wenn der
größte von der Gesamtoberfläche der Ladungstranfermatrix gebotene Gesichtsbereich
verfügbar ist, wobei ein identischer Detektor verwendet wird, von dem aber die nicht
mit einem lichtundurchlässigen Film bedeckte Speicherzone ebenfalls als
photoempfindliche Zone verwendbar ist. Der Gebrauch einer solchen Matrix, ohne Speicher ist aber
nicht zu erwarten, und zwar wegen des unvermeidlichen Auftritts einer vertikalen
Lichtspur, die sich dem nützlichen Bild überlagert und die dadurch den Kontrast
wesentlich verringert.
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In der Praxis wird am Ende einer als Integrationsperiode bezeichneten
Periode, die derart bestimmt ist, daß der Bildfleck einen ausreichenden Energiepegel
erreicht, die Matrix dadurch ausgelesen, daß die aufeinanderfolgenden Zeilen zu einem
in der genannten Matrix integrierten Ausgangsregister übertragen werden. Da die
Übertragung von Zeilen und das Einlesen derselben in das Ausgangsregister nicht
gleichzeitig erfolgt, und da die Matrix ständig dem Licht ausgesetzt ist, bildet sich bei
jedem neuen Lesezyklus des Ausgangsregister auf der photoempfindlichen Zone ein
neues Bild des Licht strahlenden Gegenstandes. Das Ganze der zwischen zwei
Integrationen erhaltenen Bilder bildet die genannte schädliche Lichtspur, deren äquivalente
Integrationszeit der Lesezeit des Bildflecks entspricht. Im allgemeinen gilt, daß die
Lesezeit des Bildflecks gegenüber der Integrationsperiode nicht vernachlässigbar ist;
insbesondere wenn der betreffende Licht strahlende Gegenstand sehr klar ist, wie die
Sonne, ist die Integrationszeit relativ kurz. Dies hat zur Folge, daß die Lichtspur eine
ausreichende Helligkeit hat um den Kontrast auf unakzeptierbare Weise zu begrenzen.
Das durch die vorliegende Erfindung zu lösende technische Problem ist daher eine
Vorrichtung zu verwirklichen zum Festlegen der Richtung des Energiezentrums eines
Licht strahlenden Gegenstandes mit einem Objektiv, das auf einem photoempfindlichen
Detektor aus dem Licht strahlenden Gegenstand ein Bild erzeugt, wobei es mit Hilfe der
Vorrichtung unter Verwendung einer Ladungstransfer-Matrix ohne Speicher als
photoempfindlichen Detektor möglich sein sollte, die genannte Lichtspur weitgehend
derart auszuschalten, daß die Genauigkeit, mit der die Lage des Bildes auf der Matrix
gemessen wird, verbessert wird.
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Nach der vorliegenden Erfindung ist der photoempfindliche Detektor eine
speicherlose Ladungstransfer-Matrix von N&sub1; Zeilen und Nc Spalten mit einem
Ausgangsregister von Nc Elementen, und die Position des Energiezentrums des Bildes des Licht
strahlenden Gegenstandes wird durch Schwerpunktberechnung innerhalb eines das
betreffende Bild umgebenden und p&sub1; * pc Elemente der Matrix bedeckenden Fensters
ermittelt, wobei das genannte verfahren das Kennzeichen aufweist, daß
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- in einer ersten Betriebsart, die als Untersuchungsbetriebsart bezeichnet wird,
wird einerseits die genannte Matrix dadurch ausgelesen, daß in dem
Ausgangsregister die N&sub1; Zeilen m-zu-m (m< p&sub1;) gruppiert werden, während andererseits
das Ausgangsregister dadurch geleert wird, daß l (l< pc) aufeinanderfolgende
Elemente des Ausgangsregisters in der Leseanordnung der Matrix gruppiert
werden, so daß die hellste Zone m*l der Matrix ermittelt wird, welche die
etwaige Position des Bildes auf der Matrix bestimmt,
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- in einer zweiten Betriebsart, die als Meßbetriebsart bezeichnet wird und der
Untersuchungsbetriebsart folgt, die Matrix zunächst dadurch ausgelesen wird,
daß die Zeilen n-zu-n (n> p&sub1;) gruppiert werden, danach zeilenweise in einer
Zone von k Zeilen (k> p&sub1;) um die genannte hellste Zone herum liegend, und
zum Schluß wieder durch Gruppierung der Zeilen z-zu-n bis alle N&sub1; Zeilen
verbraucht sind.
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In der Meßbetriebsart führt die Tatsache, daß n aufeinanderfolgende
Zeilen nacheinander übertragen werden bevor das Ergebnis der Akkumulation in das
Ausgangsregister eingelesen wird, das dann außerhalb der zeilenweise ausgelesenen
Zone ist, zu einer wesentlichen Verringerung der Spur und verbessert folglich den
Kontrast des Bildes beträchtlich. Wenn TV die Transferzeit einer Zeile der Matrix ist
und TH ist die Transferzeit eines Elementes des Ausgangsregisters, wird die
Integrationszeit der Spur bei einer zeilenweisen Auslesung der Matrix gegeben durch:
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y&sub1;(TV+NcTH) y&sub1;NcTH
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wobei y&sub1; die Anzahl durch das Bild des Licht strahlenden Gegenstandes bedeckter
Zeilen. Wenn das Auslesen paketweise zu Paketen von n Zeilen (n> y&sub1;) erfolgt, wird die
Spur gebildet durch:
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- eine einheitliche Spur, deren Integrationszeit y&sub1;TV beträgt
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- und eine Folge parasitärer Bilder mit einem Schritt n, deren Integrationszeit
NcTH beträgt.
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Da sie außerhalb des Meßfensters liegen, sind die parasitären Bilden nicht störend und
beeinträchtigen den Kontrast nicht. Das Helligkeitsverhältnis zwischen der
"zeilenweisen" Spur und der "n-zu-n"-Spur ist also
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NcTH/TV beträgt Nc, wenn TV TH.
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Im Falle der Matrix Thomson-CSF TH 7863 wird Nc einen Wert von 384 haben. Die
Helligkeit der Spur beim "n-zu-n"weisen Lesen der Zeilen der Matrix kann also nahezu
vernachlässigt werden, und deswegen ein maximaler Kontrast des Bildflecks, und zwar
ohne Berücksichtigung eines mechanischen Verschlusses, der sich nach der
Integrationszeit schließt.
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Es sei bemerkt, daß das "n-zu-n-weise" Auslesen der Zeilen nur insofern
möglich ist, daß es bekannt ist, daß es vor und nach der Bildzone keine nützliche
Information gibt und daß es weiterhin bekannt ist, zu welchem Zeitpunkt das Lesen in
Paketen zu n Zeilen angehalten oder fortgesetzt werden soll als Ergebnis einer
ungefähren Bestimmung des aus der Untersuchungsbetriebsart erhaltenen Bildes.
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Andererseits bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil einer
wesentlichen Verringerung der Matrixauslesezeit. Als Beispiel wird nun genommen der
bereits genannte Fall der Matrix TH 7863, wobei diese Matrix insgesamt N&sub1; = 576
Zeilen aufweist. Für eine zeilenweise Auslesung beträgt die Auslesezeit der Matrix:
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576(TV+384TH) 576*384*TH.
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Für eine paketweise Auslesung mit Paketen n = 15 Zeilen und mit einer Auslesezone
von k = 15 Zeilen beträgt die Auslesezeit der Matrix etwa:
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37(15TV+384TH) + 15(TV+384TH) =
576*TV+52*384*TH 52*384*TH.
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Die Zeiteinsparung der Auslesezeit beträgt also 576/52, also in der Größenordnung von
11. Die interessante Folge dieser Verringerung der gesamten Matrixauslesezeit ist die
Möglichkeit der Steigerung der Wiederholungsfrequenz der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schaubildliche schematische Darstellung einer Vorrichtung zur
Ermittlung der Richtung des Energiezentrums eines Licht strahlenden Gegenstandes
nach der Erfindung,
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Fig. 2 eine Darstellung einer in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendeten
Transfermatrix.
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Fig. 1 zeigt auf schematische Weise eine Vorrichtung 100 zum Ermitteln
der Richtung des Energiezentrums 0 eines Licht strahlenden Gegenstandes S, wie der
Sonne beispielsweise. Die Vorrichtung 100 weist ein Objektiv 110 auf, ggf. versehen
mit einer (nicht dargestellten) Blende, die von dem Licht strahlenden Gegenstand S ein
Bild formt mit einem Zentrum O' auf einem photoempfindlichen Detektor 120. Bei der
in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist der photoempfindliche Detektor 120 eine
Ladungstransfermatrix in der Fokalebene des Objektivs 110, wie im Falle der Sonne,
oder deren Lage gegenüber dem Objektiv durch Defokalisierung derart eingestellt ist,
daß der Durchmesser des Bildflecks des Licht strahlenden Gegenstandes einige Elemente
des Bildes berührt, bei kleineren Gegenständen. Das Energiezentrum O' des Bildes S'
wird durch seine Koordinaten x&sub0; und y&sub0; in einem der Matrix zugeordneten
Koordinatensystem Fx, Fy bestimmt. Bestimmung von x&sub0; und y&sub0; ermöglicht es, die Winkel α und β
zu berechnen, welche die gesuchte Richtung o'o gegenüber der optischen Achse z'z des
Objektivs 110 definieren.
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Wie in Fig. 2 angegeben, weist die Matrix 120 N&sub1; Zeilen und Nc Spalten
auf mit einem Ausgangsregister 121 von Nc Elementen. Die Matrix TH 7863 der
gesellschaft Thomson-CSF, die von der Anmelderin benutzt worden ist besteht aus N&sub1; =
576 Zeilen und Nc = 384 Spalten ohne Speicherzone. Wenn dies notwendig ist, kann
die Matrix 120 mit einem Peltier-Effekt-Modul gekühlt werden, was insbesondere der
Fall sein wird, wenn der Dunkelstrom sehr groß ist.
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Die Position des Energiezentrums O' des Bildes S' des Licht strahlenden
Gegenstandes S wird entsprechend Fig. 2 ermittelt, und zwar durch Berechnung des
Schwerpunktes innerhalb eines Fensters 122, das das Bild S' umgibt und P&sub1;*Pc-Elemente
der Matrix 120 bedeckt.
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Es sei beispielsweise bemerkt, daß mit der obengenannten Matrix mit
einer Diagonalen von 16 mm und mit einem Objektiv von 11,5 mm die Vorrichtung 100
ein Feld von 72º liefert, was bemerkenswert ist, ebenso wie das Verhältnis zwischen
dem Feld und der Genauigkeit der Ermittlung der mittleren Position des Licht
strahlenden Gegenstandes während der Integration, wobei dieses Verhältnis 17000 beträgt für
eine Genauigkeit von 15". Da das Bogenmaß der Sonne in der Größenordnung von 30
Bogenminuten liegt und ein Bildelement der Matrix etwa 22 µm mißt, erscheint das
geometrische Bilde der Sonne wie eine Scheibe mit einem Durchmesser von y&sub1; = 4,5
bis 5 Bildelementen. Je nach der Blendenöffnung kann der Beugungsfleck 1,5
Bildelemente betragen, was zu einem Bild der Sonne mit 6,5 Bildelementen führt. Das
Meßfenster 122 (die Gesamtheit der Elemente auf Grund derer das Energiezentrum des
Bildes berechnet wird), das das Bild S' umgibt, wird durch minimal 8 x 8 Bildelemente
gebildet. Folglich kann für das Fenster 122 ein Quadrat von P&sub1; = 10 Zeilen und pc =
10 Spalten verwendet werden. Das beschriebene System bietet ebenfalls die
Möglichkeit, nach einem "Einfangen" auf autonome Weise dem Licht strahlenden Gegenstand zu
folgen, d.h. ohne Hilfe von "draußen", für Bewegungen, die einige º/s betragen
können.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung hat eine erste Betriebsart, die als
Untersuchungsbetriebsart bezeichnet wird, in der eine Zone 124 von maximal m
Signalzeilen und l Signalspalten bestimmt wird, welche die etwaige Position der Sonne
in der Matrix darstellen. m und l sind kleiner als p&sub1; und pc und es kann beispielsweise
vorausgesetzt werden, daß sie gleich 2 sind. Das Ermitteln, der hellsten Zone m*l 124
erfolgt durch Auslesung der N&sub1; Zeilen der Matrix 120 und durch "m-zu-m-weise"
Gruppierung in dem Ausgangsregister 121, mit nachfolgender Entleerung von l
aufeinanderfolgenden Bildelementen des genannten Ausgangsregisters in die
Lesevorrichtung 123 der Matrix. Dieser Vorgang bietet den Vorteil einer Verringerung um
einen Faktor m*l, hier 4, der zum Erhalten einer in der Untersuchungsbetriebsart
erzielbaren, erforderlichen Integrationszeit. Es sei weiterhin bemerkt, daß insbesondere
in dem Fall, wo die erfindungsgemäße Vorrichtung auf dem Boden verwendet wird, die
Aufgabe Untersuchungsbetriebsart darin besteht, die Blende des Objektivs und die
Integrationszeit der Ladungstransfermatrix anzupassen, und zwar je nach dem empfangenen
Signal, dessen Pegel beispielsweise je nach Bewölkung und je nach der Tagesstunde der
Beobachtung äußerst verschieden sein kann.
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In der zweiten Betriebsart, der Meßbetriebsart, die der
Untersuchungsbetriebsart folgt, wird die Matrix 120 mit einer während der Untersuchungsbetriebsart
festgestellten Blendenöffnung während der Integrationszeit der Sonnenstrahlung
ausgesetzt. Die Matrix wird danach ausgelesen, zunächst durch "n-zu-n"weise Gruppierung
der Zeilen, mit n> p&sub1;, als Anzeigewert typisch n = 15. Danach erfolgt, in einer Zone
125 um die hellste Zone m*x 124 herum, das zeilenweise Auslesen der Matrix 120
während k Zeilen. k ist ebenfalls größer als p&sub1; und kann größer als oder gleich n
gewählt werden, in diesem Fall variierend von 15 bis 30. Zum Schluß wird die Matrix
wieder dadurch geleert, daß die Zeilen in einem n-zu-n-Verhältnis gruppiert werden, bis
alle N&sub1; Zeilen verwendet worden sind.
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Aus dem Obenstehenden ist ersichtlich, daß die auf diese Weise
durchgeführte Meßbetriebsart zu einer wesentlichen Verbesserung des Bildkontrastes führt
und durch Verringerung der Auslesezeit eine höhere Wiederholungsfrequenz ermöglicht.