DE10020311B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufnahme optischer Eigenschaften einer relativbewegten Szene - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Aufnahme optischer Eigenschaften einer relativbewegten Szene, mittels eines flächenhaften photosensitiven Sensors (1), einer Eingangsoptik und einer Steuereinrichtung (6) zur Einstellung der Empfindlichkeit des photosensitiven Sensors (1), umfassend folgende Verfahrensschritte:
a) Durchführen einer ersten Normalmessung innerhalb einer Dwelltime t_dwell mit maximaler Empfindlichkeit,
b) Auswerten der Signale der unter a) vorgenommenen Normalmessung, ob ein Pixel in der Sättigung ist oder ob nur eine vorgegebene Schwelle unterhalb der Sättigung überschritten ist,
c) Durchführen einer zweiten Messung innerhalb der Dwelltime t_dwell, falls ein Pixel in der Sättigung war, wobei die Empfindlichkeit des photosensitiven Sensors (1) adaptiv durch eine vorausschauende Schätzung angepasst wird, wobei als Referenzwert die vorangegangene Normalmessung bei Überschreitung des Schwellwertes und Unterschreitung der Sättigung oder die vorangegangene zweite Messung herangezogen wird und
d) Zwischenspeichern der unter b) gewonnenen Signaldaten, falls die vorgegebene Schwelle überschritten und die Sättigung nicht erreicht wurde oder Zwischenspeichern der unter c)...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufnahme optischer Eigenschaften einer relativbewegten Szene.
• Zur Untersuchung der Erdoberfläche ist es seit langem bekannt, optische Aufnahmesysteme auf einem Satelliten oder einem Flugzeug anzuordnen, wobei je nach Anwendungsgebiet verschiedene optische Eigenschaften bzw. Emissionen einer Szene qualitativ und/oder quantitativ ausgewertet werden. Im Gegensatz zu den meisten Anwendungsgebieten in Produktionsprozessen existieren nur wenige oder gar keine Vorabinformationen über die aufzunehmende Szene.
• So arbeiten beispielsweise bekannte Fernerkundungssysteme im Thermalen Infrarot auf Basis optomechanischer Systeme. Diese mechanischen Systeme tasten die Szenen in sequentieller Form ab. Nachteilig an den bekannten Systemen ist, dass diese nicht ausreichend variabel in bezug auf Abtastung im Subpixelbereich sind. Durch die mechanische Abtastung sind die Kanalparameter nicht in Echtzeit beeinflußbar. Allgemein sind die hierfür verwendeten Infrarot-Sensoren auf maximale Empfindlichkeit eingestellt. Dies führt dazu, daß bei Abtastung einer lokal begrenzten heißen Szene die Sensorik übersteuert wird. Dadurch kann über diese Szene bzw. Szenenausschnitt nur eine qualitative Aussage getroffen werden.
• Aus der DE 198 37 483 A1 ist ein Verfahren zur Aufnahme optischer Eigenschaften einer relativbewegten Szene bekannt, mittels eines photosensitiven Sensors, eines Speichers, eines Schwellenwertfilters, eines Steuergerätes und eines Korrekturprozessors, wobei eine erste Messung bei maximaler Empfindlichkeit des Sensors erfolgt. Anschließend wird mittels des Schwellenwertfilters überprüft, ob ein Pixel des Sensors bei der Messung übersteuert war. Wird eine derartige Übersteuerung erfaßt, so wird die Messung innerhalb von t_dwell mit minimaler Empfindlichkeit des Sensors wiederholt. Anschließend werden die Daten der übersteuerten Pixel der ersten Messung durch die Daten der zweiten Messung überschrieben. Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist, daß die Auflösung des Sensors für die zweite Messung nicht optimal ausgenutzt wird.
• Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufnahme optischer Eigenschaften einer relativbewegten Szene zu schaffen, mittels derer die Auflösung des photosensitiven Sensors besser ausgenutzt wird.
• Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 4. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Hierzu erfolgt bei einer gegebenenfalls notwendigen zweiten Messung innerhalb der Dwelltime eine vorausschauende Abschätzung der erwarteten Intensität, die zur Einstellung der optimalen Parameter ausgenutzt wird.
• Systeme, die eine räumliche und zeitliche Abtastung im Bildbereich einer Optik durchführen, nutzen die begrenzenden Eigenschaften der Optik im Raumfrequenzbereich (Modualtionstransferfunktion), um Aliasingeffekte zu vermeiden. Die begrenzenden Eigenschaften der Optik lassen sich durch die Punkt-Verwaschungs-Funktion (PSF) darstellen. Bildet man beispielsweise ein heißes (helles) Gebiet einer Szene als einen Punkt in der Bildebene eines Push Broom Scanners ab, so erscheint je nach Breite der PSF und der Intensität des Gebietes in der Umgebung des Punktes ein durch die Optik verursachter Hof. Bei einem Push Broom Scanner werden also benachbarte Pixel bzw. zeitlich vor und nach der Abtastung liegende Szenenanteile von diesem Gebiet beeinflußt.
• Die dieser Erfindung zugrundeliegende Idee der Signal-Adaptionssteuerung beruht auf der zeitlichen Vorhersage des Signals aufgrund des oben geschilderten Sachverhalts.
• Der Algorithmus für die Regelung leitet sich aus einer Näherungsformel für die PSF (Gaußverteilung der Intensität) ab:

  

  mit

Udet_i

voraussichtliche Amplitude des Signals, wenn der Spot die Entfernung X_i von der momentanen Abtastung mit Intensität Asig hat und

σ

Breite der PSF.

• Voraussetzung für die Abschätzung ist, daß die vorangegangene Messung selbst noch nicht in der Sättigung war. Daher wird abhängig von der vorangegangenen Messung das Abschätzverfahren auf die erste oder auf die zweite vorangegangene Messung angewendet.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. zeigen:
• 1 eine graphische Darstellung verschiedener Vorhersagewerte für die Intensität dreier Signale,
• 2 ein Blockschaltbild zur Regelung der Empfindlichkeit eines photosensitiven Sensors,
• 3 einen Szenenverlauf über ein beliebiges Pixel,
• 4 ein Blockschaltbild der Regelstrecke zur Abschätzung der zu erwartenden Intensität aus der vorangegangenen Normalmessung und
• 5 ein Blockschaltbild der Regelstrecke zur Abschätzung der zu erwartenden Intensität aus der vorangegangenen Hot Spot Messung.
• In der 1 sind für drei verschiedene Signale die zu erwartenden Intensitäten über die Dwelltime dargestellt, wobei die Ausgangsintensität jeweils um den Faktor 10 verschieden ist. Das Sättigungsniveau ist dabei als horizontale Linie dargestellt. Wie aus dem Verlauf der untersten Kurve zu entnehmen ist, gelangt das Pixel erst nach der dritten Abtastung in die Sättigung. Entsprechend gelangt das Pixel gemäß der mittleren Kurve erst in der dritten und das Pixel gemäß der oberen Kurve erst in der zweiten Abtastung in die Sättigung. Aufgrund dieser jeweiligen Vorhersagewerte kann die Empfindlichkeit des photosensitiven Sensors adaptiv angepaßt werden. Dieser Funktionsverlauf kann für jeden photosensitiven Sensor vorab bestimmt werden und in einer Look Up Tabelle LUT abgelegt werden.
• In der 2 ist ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Aufnahme optischer Eigenschaften einer relativbewegten Szene dargestellt, wobei auf die Darstellung der Optik verzichtet wurde. Die Vorrichtung umfaßt einen zeilenförmigen photosensitiven Sensor 1, einen Analog-Digital-Wandler 2, drei parallel arbeitende Regelstrecken 3–5 und einen den photosensitiven Sensor 1 steuernden Prozessor 6. Der Analog-Digital-Wandler 2 erfaßt die Meßdaten des photosensitiven Sensors 1, digitalisiert diese und stellt die digitale Datenbasis den drei Regelstrecken 3–5 als Eingangsdaten zur Verfügung.
• Die erste Regelstrecke 3 stellt die Regelung für die Normalmessung dar und ist beispielsweise als proportional wirkender Zweipunktregler mit Hystereseverhalten ausgebildet. Dieser überwacht den Szenenmittelwert des zeilenförmigen photosensitiven Sensors 1 und stellt entsprechend die Integrationszeit T_int und Kapazität C_int ein, so daß die Normalmessung mit maximaler Empfindlichkeit durchgeführt werden kann. Diese Regelung betrifft die erste Abtastung innerhalb der Dwelltime t_dwell.
• Die zweite Regelstrecke 4 stellt die Regelung für die Adaptionssteuerung für ein Hot Spot Sampling aus einer vorangegangenen Normalmessung dar. Überschreitet die Normalmessung für einige Pixel einen gewissen Schwellwert I_s, so ist zu vermuten, daß in der nächsten oder übernächsten Dwelltime t_dwell Energie aus einem heißen Gebiet zur Überschreitung der Sättigung I_SAT in der Normalmessung führt. Dieser Wert wird zwischengespeichert und wirkt als Input für die Parameter des Hot Spot Sampling in der Szene, in der es in der Normalmessung zu einer Sättigung kommt. Dadurch können die Parameter in dem Hot Spot Sampling derart adaptiv eingestellt werden, daß mit der größtmöglichen Empfindlichkeit unterhalb der Sättigung aufgenommen werden kann. Dieser Regelprozess wird später noch näher erläutert.
• Die dritte Regelstrecke 5 stellt die Regelung für die Adaptionssteuerung für ein Hot Spot Sampling aus einem vorangegangenen Hot Spot Sampling dar. Liegt nämlich bereits eine Sättigung für bestimmte Pixel vor, so ist das Ergebnis der Normalmessung für die Steuerung unbrauchbar. In diesem Fall erfolgt die Abschätzung aus dem vorangegangenen Hot Spot Sampling.
• In der 3 ist ein beispielhafter Verlauf der Intensität einer Szene über der Zeit dargestellt. Zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₁ bewegt sich die Intensität I um den Szenenmittelwert I_m, so daß die Normalmessung mit maximaler Empfindlichkeit nicht in der Sättigung ist. Zum Zeitpunkt t₁ überschreitet die Intensität I einen Schwellwert I_S, so daß in der nächsten oder übernächsten Abtastung mit einer Sättigung zu rechnen ist. Zum Zeitpunkt t₂ tritt in der Normalmessung Sättigung auf. In diesem Fall wird innerhalb der Dwelltime t_dwell dieser Abtastung eine zweite Messung, das Hot Spot Sampling durchgeführt, wobei für das erste Hot Spot Sampling HSP auf die Daten der vorangegangenen Normalmessung zur Einstellung der Parameter zurückgegriffen werden kann. Nach dem Zeitpunkt t₂ sind nachfolgende Normalmessungen in der Sättigung, so daß diese Messungen keinen Aufschluß mehr für die Intensität der Hot Spots geben. Daher wird für die nachfolgenden Hot Spot Samplings auf Daten des vorangegangenen Hot Spot Samplings zurückgegriffen und daraus die zu erwartende Intensität abgeschätzt.
• In der 4 ist eine Schaltungsanordnung für die zweite Regelstrecke 4 dargestellt. Die Schaltungsanordnung umfaßt ein Verzögerungsglied 7, Szenenmittelwertbildner 8 zur Erfassung eines Szenenmittelwertes, einen Mittelwertvergleicher 9, einen Größtwert Pixelselektor 10, einen Sättigungskomparator 11, ein Und-Gatter 12, ein Sättigungsflag 13 und eine Look Up Tabelle 14. Das Eingangssignal für die Schaltungsanordnung ist das Signal aus der Normalmessung S_NM. Das Verzögerungsglied 7 verzögert das Signal aus der Normalmessung S_NM um eine Dwelltime t_dwell, so daß am Ausgang des Verzögerungsgliedes 7 das Signal aus der vorangegangenen Normalmessung anliegt. Dieses Signal wird mittels des Mittelwertevergleichers mit dem Szenenmittelwert verglichen. Die Differenz aus Normalmessung und Szenenmittelwert wird bei einer signifikanten Abweichung als Eingangssignal an den Größtwert Pixelselektor 10 übergeben. Dieser detektiert das Pixel mit der größten Intensität, das das Eingangssignal für die Look Up Tabelle 14 ist. Des weiteren setzt der Größtwert Pixelselektor 10 ein Flag, daß ein Schwellwert überschritten wurde. Dieses Signal stellt ein erstes Eingangssignal für das Und-Gatter 12 dar. Ein weiteres Eingangssignal des Und-Gatters 12 ist ein Statussignal NM, das anzeigt, daß eine Normalmessung ausgewertet wird. Mittels des Sättigungskomparator 11 wird überprüft, ob in der aktuellen Normalmessung ein Pixel in der Sättigung ist. Ist dies der Fall, so wird am Ausgang eine logische 1 erzeugt. Das Und-Gatter 12 erzeugt dann an seinem Ausgang ebenfalls eine logische 1 und bewirkt das Setzen eines Sättigungs-Flags 13, wodurch die Look Up Tabelle 14 aktiviert wird. Anhand der Intensität am Eingang der Look Up Tabelle 14 wird dann ein Parametersatz für die Integrationszeit T_int und die Kapazität C_int ausgewählt und an den photosensitiven Sensor 1 und dem Prozessor 6 übergeben. Mit diesem Parametersatz wird dann das Hot Spot Sampling als zweite Abtastung innerhalb der Dwelltime durchgeführt. Bei gestaggerter Anordnung des photosensitiven Sensors 1 beträgt die Verzögerung des Verzögerungsgliedes 7 entsprechend nur die halbe Dwelltime.
• In der 5 ist die Schaltungsanordnung für die dritte Regelstrecke 5 dargestellt, wobei gleichwirkende Elemente im Vergleich zu 4 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Schaltungsanordnung umfaßt einen Sättigungskomparator 11, ein Und-Gatter 12, ein Sättigungs-Flag 13, eine Look Up Tabelle 14, einen Größtwert Pixelselektor 10 und ein Verzögerungsglied 15. Das Eingangssignal für den Sättigungskomparator 11 ist wieder das Signal aus der Normalmessung S_NM. Im Gegensatz zur zweiten Regelstrecke ist das Eingangssignal des Verzögerungsgliedes 15 das Signal aus dem Hot Spot Sampling S_HSP, das konjunktiv mit einem Statussignal HSP verknüpft ist. Das Verzögerungsglied 15 verzögert das Signal um ca. eine Dwelltime, so daß am Ausgang des Verzögerungsgliedes 15 das S_HSP der vorangegangenen Messung anliegt. Ergibt nun die Auswertung des Signals der Normalmessung S_NM, daß ein Pixel in der Sättigung ist und gleichzeitig in der vorangegangenen Dwelltime ein Hot Spot Sampling durchgeführt wurde, so wird anhand des größten Pixelwertes aus der vorangegangenen Dwelltime aus der Look Up Tabelle 14 ein Parametersatz für die Integrationszeit T_int und die Kapazität C_int ausgegeben, der für das nachfolgende Hot Spot Sampling verwendet wird.
• Wie sich aus einem Vergleich der Schaltungsanordnungen in den 4 und 5 ergibt, sind Teilbereiche identisch und können gemeinsam benutzt werden. Dies gilt unabhängig davon, ob die Regelstrecken 3–5 als Hardware und/oder Software realisiert werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Aufnahme optischer Eigenschaften einer relativbewegten Szene, mittels eines flächenhaften photosensitiven Sensors (1), einer Eingangsoptik und einer Steuereinrichtung (6) zur Einstellung der Empfindlichkeit des photosensitiven Sensors (1), umfassend folgende Verfahrensschritte: a) Durchführen einer ersten Normalmessung innerhalb einer Dwelltime t_dwell mit maximaler Empfindlichkeit, b) Auswerten der Signale der unter a) vorgenommenen Normalmessung, ob ein Pixel in der Sättigung ist oder ob nur eine vorgegebene Schwelle unterhalb der Sättigung überschritten ist, c) Durchführen einer zweiten Messung innerhalb der Dwelltime t_dwell, falls ein Pixel in der Sättigung war, wobei die Empfindlichkeit des photosensitiven Sensors (1) adaptiv durch eine vorausschauende Schätzung angepasst wird, wobei als Referenzwert die vorangegangene Normalmessung bei Überschreitung des Schwellwertes und Unterschreitung der Sättigung oder die vorangegangene zweite Messung herangezogen wird und d) Zwischenspeichern der unter b) gewonnenen Signaldaten, falls die vorgegebene Schwelle überschritten und die Sättigung nicht erreicht wurde oder Zwischenspeichern der unter c) geführten zweiten Messung für die nächste Abtastung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten für die vorausschauende Abschätzung anhand der Punkt-Verwaschungs-Funktion PSF der Eingangsoptik ermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten in einer Look Up Tabelle (14) abgelegt werden.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend eine Eingangsoptik, einen flächenhaften photosensitiven Sensor (1), einen Analog-Digital-Wandler (2), drei parallel arbeitende Regelstrecken (3–5) und einen die Empfindlichkeit des photosensitiven Sensors (1) einstellenden Prozessor, wobei mittels der ersten Regelstrecke (3) die optimalen Parameter des photosensitiven Sensors (1) für eine Normalmessung ableitbar sind, mittels der zweiten Regelstrecke (4) die optimalen Parameter des photosensitiven Sensors (1) für eine zweite Messung innerhalb der Dwelltime aus einer vorangegangenen Normalmessung ableitbar sind und mittels der dritten Regelstrecke (5) die optimalen Parameter des photosensitiven Sensors (1) für eine zweite Messung innerhalb der Dwelltime aus einer vorangegangenen zweiten Messung in der vorangegangenen Dwelltime ableitbar sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Regelstrecke (4) Mittel (7–9) zur Erfassung einer Überschreitung des Schwellenwerts I_S in der Normalmessung der vorangegangenen Dwelltime umfaßt, wobei die größte auftretende Intensität durch einen Größtwert Pixelselektor (10) erfaßbar und einer Look Up Tabelle (14) zuführbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Regelstrecke (5) einen Größtwert Pixelselektor (10) umfaßt, mittels dessen die größte Intensität in der vorangegangenen zweiten Messung erfaßbar und einer Look Up Tabelle (14) zuführbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der flächenhafte photosensitive Sensor (1) als lineares Array ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) als IR-Sensor ausgebildet ist.