DE2325157A1 - Vorrichtung zum detektieren sich bewegender gegenstaende - Google Patents

Description

FPHW. 6553. Cobb/Va/RV.

efdör: N.V. Philips'GlooiiüinpanfabriekeD
AfcfeNo.; PHN- 6553

Anmeldung vom.· 1 5 . *Mai 1973

Vorrichtung zum Detektieren sich bewegender Gegenstände.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum. Detektieren sich bewegender Gegenstände, die enthält: ein optisches Abbildungssystem, ein strahlungsempfindliches Detektionssystem zur Umwandlung der durch das Abbildungssystem hindurchtretenden Strahlung in elektrische Signale, sowie eine elektronische Schaltung zur Verarbeitung dieser Signale.

Es ist bekannt, dass beim Detektieren optischer Strahlu'ngen bestimmte Schwierigkeiten auftreten. So wird die verfügbare Strahlung oft schwach und veränderlich sein. Dies ist insbesondere bei Strahlung der Fall, die von weit entfernten Gegenständen stammt, die nicht beleuchtet werden können, so dass nur die von dem Gegenstand selber emittierte Strahlung oder die vom Gegenstand- reflektierte Strahlung aus der Umgebung des Gegenstandes benutzt werden kann. Um die

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Zuverlässigkeit der Detektion zu vergrössern, wird Strahlung derartiger Frequenzen verwendet, dass ein möglichst gutes Signal-Rauschverhältnis erhalten wird.

Eine andere Schwierigkeit beim Detektieren optischer Strahlung ergibt sich, wenn die Geschwindigkeit, mit der der Gegenstand die Detektionsvorrichtung passiert, veränderlich ist. Das optimale Frequenzband ist nämlich von dieser Geschwindigkeit abhängig. Die Bauart einer für verschiedene Gegenstandsgeschwindigkeiten anwendbaren Detektionsvorrichtung wird sehr verwickelt und die Leistungen derselben werden geringer.

Das letztere Probiem ergibt sich z.B. bei Anwendung von Horizontsensoren zum Messen der augenblicklichen Lage eines Raumfahrzeuges in bezug auf die Erde, so dass die Lage des Raumfahrzeuges, wie eines Kunstsatelliten, z.B. mit Hilfe von Gyroskopen stabilisiert werden kann.

Ein derartiger Horizontsensor kann die Form eines Infrarotsuchers aufweisen, der aus einer Linse oder einem Spiegel und einem in deren oder dessen Brennpunkt angeordneten Infrarotdetektor, wie einem Bolometer, besteht. Wenn beim Rotieren des Satelliten der schmale durch das Objektiv und das Bild im Unendlichen des Sensors definierte Strahl den Horizont passiert, nimmt die Strahlung auf dem Detektor nacheinander zu und ab. Dann kann ein elektrisches Zeitsignal abgeleitet werden, das Information über das Eintreten in, den Aufenthalt in und das Austreten aus dem Gesichtsfeld des Horizontsensor des Erdhorizonts erteilt.

Zum Erhalten dieses Zeitsignals wird das vom Detektor gelieferte Signal mit einem Bezugssignal verglichen. Bei Anwendung

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eines einzigen Detektlonssignals können Fehler auftreten, indem Aenderungen in der von der Erde emittierten Strahlung das Detektionssignal beeinflussen.

In den bekannten Vorrichtungen wird dann dazu übergegangen, auf elektronischem ¥ege das Detektionssignal zu differenzieren, wodurch positive und negative Impulse erhalten werden. Diese Impulse werden mit Schwellwerten verglichen, die positiv und negativ sind und deren Pegel eine Funktion der Amplituden der Impulse ist. Dies bedeutet, dass die Spitzenwerte der Impulse elektronisch gespeichert werden müssen. Zum Differenzieren des Detektionssignals und zum Speichern der Spitzenwerte der Impulse muss eine Zeitfunktion zur Verfügung stehen. .. ■

Die für das Differenzieren erforderliche Zeitkonstante t wird das Ergebnis eines Kompromisses sein» bei dem die Zeitkonstante des Bolometers, die Drehgeschwindigkeit des Satelliten und das dem Nutzsignal überlagerte Bauschen in Betracht gezogen sind.- Die Zeitkonstante t¹ für das Speichern der Spitzenwerte der Impulse muss mehrere Male grSsser als die TJmdrehungsperiode des Satelliten sein.

In der Praxis kann ein derartiger Sensor nur für Drehgeschwindigkeiten verwendet werden, die in einem kleinen Geschwindigkeitsbereich rund die Drehgeschwindigkeit liegen, für die der Sensor optimalisiert ist.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die die obengenannten Nachteile nicht aufweist. Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionssystem vier gesonderte strahlungsempfindliche Detektionselemente enthält, die in der Richtung, in der

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sich ein Bild, eines Gegenstandes bewegt, hintereinander angeordnet sind, wobei die Ausgangsklemmen der Detektionselemente derart miteinander verbunden sind, dass das Signal an den beiden Ausgangsklemmen des Gesamtdetektibnssystems der zeitliche Differentialquotient des Signals ist, das bei Anwendung eines einfachen Detektors auftreten würde.

Ein Vorteil der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist der, dass unabhängig von der Zeit gearbeitet wird, so dass eine Anpassung an verschiedene Drehgeschwindigkeiten des Satelliten möglich ist. Die Vorrichtung nach der Erfindung weist weiter eine einfache Bauart auf. Die Elemente des Detektors lassen sich integrieren.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigent

Fig. 1a schaubildlich ein Detektionssystem nach der Erfindung,

Fig. 1b das elektrische Schaltbild einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 den Verlauf des von dem Detektionssystem nach der Erfindung gelieferten Signals,

Fig. 3 den Verlauf des vom Detektionssystem abgegebenen Signals in bezug auf das Bezugssignal,

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Schaltung zur Verarbeitung des vom Detektionssystem abgegebenen Signals,

Fig. 5 die an verschiedenen Punkten in dieser Schaltung auftretenden Signale, und

Figuren 6, 7 und 8 verschiedene Ausführungsformen eines

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Detektionssystems nach der Erfindung.

Der in Pig. 1a dargestellte Detektor 1 wird durch vier strahlungsempfindliche Flachen B , B₃, B, und B. und fünf Elektroden a, b, c, d und e gebildet. Die vier Flächen B₁, B₃, B, und B. sind z.B. vier Bolometerschichten. Der Widerstand derartiger Bolometerschichten wird geringer, wenn diese durch auffallende Infrarotstrahlung erhitzt werden. Der Detektor 1 ist in der Bildbrennebene einer Linse 2 angeordnet^ Die Richtung oy, in der die Flächen B₁, B_, B, und B. hintereinander angeordnet sind, steht quer auf der Drehrichtung AA' des Satelliten, der sich in der Ebene zoy befindet. Die optische Achse ox der Linse 2 steht quer auf der Ebene yoz, in der sich der Detektor befindet.

Bei Rotation des Satelliten beschreibt die Achse ox

einen Kegel und wenn der Abstand der zu der Erde hin gerichteten Linie G von diesem Kegel kleiner als der scheinbare Radius der Erde ist, passiert das Bild T des letzteren einmal pro Umdrehung die vier strahlungsempfindlichen Flächen B₁, B„, B, und B..

Weil das Passieren in der Richtung oy stattfindet, werden die Schichten B , B_, B, und B nacheinander bestrahlt. In Fig. 1b ist die zu den Detektoren B , B₂, B und B. gehörige elektrische Schaltung dargestellt. Die Speisespannung wird von zwei tischen Generatoren 3 geliefert, die einen Mittelpunkt 7 aufweisen. Dieser Mittelpunkt ist über f mit einem Verstärker 5 verbunden. Jeder Generator 3 wird mit einem Schutzwiderstand 4 und einer FiLterkapazität 6 in Reihe geschaltet. Die Speisespannung wird zwischen der Elektrode c einerseits und den Elektroden ä und e andererseits angelegt. Das Signal wird an den Elektroden b und d entnommen und mit einem Be-

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zugssignal z.B. der Elektrode c verglichen.

Wenn das Bild der Erde auf keine der empfindlichen Flächen B., B , B, und B. projiziert wird, sind die elektrischen Widerstände dieser Detektoren RB., RB_?, RB^, RB. einander gleich.

Das Potential am Punkt b wird, wenn vorausgesetzt wird, dass die Verbindung b-d in bezug auf den Punkt c offen ist:

. ULÜa.

b RB^RB₂ 2 *

Das Potential am Punkt d wird, wenn vorausgesetzt wird, dass die Verbindung b-d in bezug auf den Punkt c offen ist:

,.X RB,

d RB.+RB_Z 2 *
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Die Punkte b und d weisen gleiche Potentiale auf und das Vorhandensein der Verbindung b-d ändert den Wert von V, oder von V, gar nicht.

Dann gilt, dass: V b,d - V c = ·? .

Wenn das Bild der Erde die Fläche B in Anspruch nimmt, verringert der Widerstand RB der entsprechenden Schicht und erreicht den Wert R¹B., während der Widerstand von B_? unverändert gleich RB bleibt. Das Potential am Punkt b, wird, vorausgesetzt, dass die Verbindung b-d- offen ist:

^{ü x RB}2 das grosser ist als ^{ü X RB}

2 das grosser ist als ^{ü X RB}2 (R'B < RB ). B RB₊RB

Dieses Potential kann als TJ/2 + dU geschrieben werden, wobei dU die Spannungsänderung infolge der Widerstandsverringerung von B ist.

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Durch das Schliessen der Verbindung b-d-wird die

Kombination von B₁, B_, die als ein Generator eines Signals U/2 + dTT mit einem Innenwiderstand R¹B₁ "+ RB„ aufzufassen ist, mit der Kombination B,,B mit einem" Innenwiderstand RB_ verbunden, wobei über RB eine Spannung TJ/2 steht. Wenn RB, von RB = RB «= RB sehr wenig verschieden ist, wird das Signal zwischen dem Punkt c einerseits und den Punkten b und d andererseits« Ti/2 + du/2»

Wenn, das Bild der Erde die Fläche B in Anspruch nimmt, nimmt der Widerstand RBp ab und erreicht den Wert R¹Bp, während die Werte von R¹B₁, RB,, RB^ unverändert bleiben. Es gilt dann, dass: R¹B₁ = R'B_. Das Potential am Punkt b ist, wenn vorausgesetzt wird, dass die Verbindung b-d-offen ist, wieder Tj/2. Das Schliessen der Verbindung b-d ändert nichts daran, weil das Potential am Punkt d ebenfalls gleich ü/2 ist. Das Signal zwischen dem Punkt c einerseits und den Punkten b und d andererseits ist danns U/2.

Wenn das Bild der Erde die Fläche B in Anspruch nimmt, nimmt der Widerstandswert dieser Fläche ab und erreicht den Wert R¹B,; es gilt dann, dass: R¹B. = R¹B₃ ·= R¹B < RB . Das Potential am Punkt d wird, wenn vorausgesetzt wird, dass die Verbindung b-d offen istt

U χ R¹B ■ tlxEB

^ ^daS «^erin«^{er i8t als} RB^

Dieses Potential kann als V/2 — dU geschrieben werden, wobei dTJ die Spannungsänderung infolge der Widerstandsverringerung von B, ist.

Beim Schliessen der Verbindung b-d wird das Potential zwischen dem Punkt c einerseits und den Punkten b und d andererseits: U/2 - du/2.

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Wenn sich das Bild der Erde weiter verschiebt und die Fläche B. "beansprucht, wird deren Widerstand R¹B * R¹B₅ = R¹B₃ = R¹B₁ und das Signal zwischen dem Punkt c einerseits und den Punkten b und d andererseits wird wieder ü/2. Das Signal zwischen dem Punkt c einerseits und den Punkten b und d andererseits nimmt nacheinander die Werte ü/2, U/2 + du/2, u/2, ü/2 - dü/2, u/2 an. Durch Verschiebung des Pegels dieses Signals über ü/2 kann die Gleichstromkomponente ü/2 eliminiert werden, so dass die Signalwerte nacheinander werden:

0, + dü/2, 0, - du/2, 0.

Die Verschiebung über ü/2 kann dadurch erhalten werden, dass ein Eingang des Verstärkers 5> dessen anderer Eingang mit den Punkten b und d verbunden ist, mit dem Punkt 7 verbunden wird.

Die Amplitude des nützlichen Teiles des Signals du wird in bezug auf die Amplitude, die es bei offener Verbindung b-d haben würde, durch zwei geteilt, aber der Innenwiderstand, über dem dieses Signal erzeugt wird, wird gleichfalls durch zwei geteilt, so dass keine Verschlechterung des Signal-Sauschverhältnisses auftritt.

Fig. 2 zeigt den Potentialunterschied V zwischen den Punkten b und d einerseits und dem Punkt c andererseits als Funktion der Zeit, wenn sich das Bild der Erde, von dem angenommen wird, dass es eine gleichmässige Beleuchtung hat, über den Detektor bewegt. Nur beim Passieren der Vorder- und der Hinterseite des Bildes über den Detektor ist das Signal von Null verschieden. Solange die Zeit, die der Horizont zum Durchlaufen jedes der vier Elemente benotigt, in bezug auf die Zeitkonstante des Bolometers lang ist, bleiben die Amplitude und die Form des Signals unverändert; wenn die Dauer dieses Durchlaufens gleich oder kürzer als die Zeitkonstante ist, wird das

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Signal geschwächt und Verzögert, was durch die gestrichelte Kurve in Fig. 2 dargestellt ist.

In Fig. 3 ist das Signal zwischen dem Punkt c einerseits und den Punkten b und d andererseits mit einer vollen Linie angedeutet. Das Passieren sowohl der Vorder- als auch der Hinterseite des Bildes der Erde über den Detektor geht mit einem positiven und einem darauf folgenden negativen Impuls einher, so dass bei jedem Passieren das Signal durch Null geht. Die elektrische Bezugsschwelle ist ebenfalls gleich Null gewählt, weil ungeachtet der Verzerrung der Empfindlichkeit infolge der Aenderung der Helligkeit die Lage des Nullpunktes , die durch den üebergang von der Fläche B„ zu der Fläche B, des Detektors bestimmt wird, festliegt. Ausser diesen Impulsen ist die Empfindlichkeit des Detektors aber auch gleich Null, mit Ausnahme des Rauschens, was zu einer Unbestimmtheit führen würde. TJm diese Unbestimmtheit zu vermeiden, weist die Bezugsschwelle drei Pegel auf: positiv, Null und negativ, wie mit der gestrichelten Linie in Fig. 3 dargestellt ist.

Zwischen diesen Pegeln kann geschaltet werden, so dass die Signalkurve des Detektors die Bezugskurve ausserhalb des gesuchten Nulldurchgangs nirgendwo schneidet. Die Punkte A und B bezeichnen die Schnittpunkte zwischen der Signalkurve und der Bezugskurve beim Passieren der Vorder- bzw. Hinterseite des Bildes der Erde über die strahlungsempfindlichen Flächen.

Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild einer logischen Schaltung zum reihenmässigen Analysieren des vom Detektor gelieferten Signals. In dieser Schaltung wird unabhängig von der Zeit, also von der Drehgeschwindigkeit des Satelliten, geschaltet.

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Die logische Schaltung enthält: einen Verstärker 40, der das Detektorsignal empfängt; zwei Triggerschaltungen 41 und 42, eine Flip-flopschaltung 43, eine Vergleichsschaltung 44, ein logisches Oder-Gatter 45» eine Flip-flopschaltung 46, eine Verknüpfungsschaltung (2/4) 47 mi* der folgenden Wahrheitstabelle:

- Es gibt kein Signal 6, wenn die Signale 4 und 5 einander gleich,, und zwar beide gleich Null oder beide gleich 1 sind.

- Es wird wohl ein Signal 6 erhalten, wenn von den Signalen 4 und 5 eines gleich Null und das andere gleich 1 ist.

Die logische Schaltung enthält weiter eine Verzögerungsleitung 48 und eine Verknüpfungsschaltung (i/3) 49 nri-t der folgenden Wahrheitstabelle j

- Ein Signal wird an der Verbindung 50 erhalten, wenn das Signal 7 "1" 1st, unabhängig von dem Signal 4.

- Ein Signal wird an der Verbindung 5I erhalten, wenn das Signal 7 "0" ist, während das Signal 4 "1" ist.

- Ein Signal wird an der Verbindung 52 erhalten, wenn das Signal 7 "0" ist, während das Signal 4 "0" ist.

Die Wirkungsweise der logischen Schaltung ist folgende: Das vom Detektor stammende Signal wird vom Verstärker 40 verstärkt und zwei Triggerschaltungen 4I und 42 zugeführt, die positiv bzw. negativ sind und deren Triggerschwellen nur das Unterscheiden des nützlichen Signals von dem Rauschen ermöglichen müssen.

Die Ausgangssignale 1 und 2 der beiden Triggerschaltungen 41 und 42 werden den "Setz"- und "Rückstell"- Eingängen der Flip-flopschal tung 43 zugeführt, die ein Signal 4 erzeugt, das zum Wählen des von Null verschiedenen Pegels der Schwelle der Vergleichsschaltung 44

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dienen wird»

Die Signale 1 und 2 werden einem Oder-Gatter 45 zugeführt, das ein Signal 3 abgibt. Der erste Impuls des Signals 3 dient zur Steuerung einer Flip'-flopschaltung 469 die von dem zweiten Impuls desselben Signals 3 zurückgesetzt wird» Um au vermeiden, dass die von ihrem Takteingang gesteuerte FIip-flopschaltung 46 den umgekehrten Zyklus hervorruft, wird das Zurücksetzten dadurch erhalten, dass zu gleicher Zeit der zweite Impuls des Signals 3 und ein Ritckstellsignal 6 zugeführt werden. Das Signal 6 wird aus dem Signal 4 und einem Signal 5 gebildet, welches letztere Signal mit dem Signal 4 identisch ist, aber mit Hilfe einer logischen Verknüpfungsschaltung (2/4) 47 und eines Verzögerungseleeents 4ö verzögert wird. Die Flipflopschaltung 46 liefert ein Signal Te

Die Auswahl der Pegel der der Vergleichsschaltung 44

zugeführten Schwellwerte wird mit Hilfe einer logischen Verknüpfungsschaltung (1/3) 49 durchgeführt, deren Punkte 50j 51 und 52 mit einem System dreier analoger Gatter verbunden sind, die das positive, das negative oder das Null-Niveau der elektrischen Bezugsschwelle liefern. Der am Punkt 5 erhaltene Schwellwert wird dem Eingang 54 der Vergleichsschaltung 44 zugeführt.

Das Signal des Detektors wird nach Verstärkung durch

den Verstarker 40 dem Eingang 55 der Vergleichsschaltung 44 zugeführt, die, je nach den an den Eingang 54 angelegten Schwellwerten an seinen Ausgang' 56 Impulse abgibt, die einem Passieren des Horizonte entsprechen.

In Fig. 5 sind die Signale, die an den verschiedenen Punkten in der logischen Schaltung auftreten, dargestellt.

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Eine andere Ausführungsform eines Detektionssystems nach der Erfindung ist in Fig. 6 veranschaulicht. Das Detektionssystem besteht aus vier Photodioden 61, 62, 63 und 64» dabei sind die Photodioden 62 und 64 an die Speisequelle 65 und die Photodioden 61 und 63 an die Speisequelle 66 angeschlossen. Das Signal wird zwischen den Photodioden 62 und 63 entnommen und dem Verstärker 67 zugeführt.

Im Detektionssystem nach Fig. 7 werden die strahlungsempfindlichen Elemente durch vier Photobatterien 71*72,73 und 74 gebildet. In diesem Falle wird keine Speisequelle benötigt. Das Signal wird zwischen den Photobatterien 72 und 73 entnommen und dem Differenzverstärker 75 zugeführt.

Die strahlungsempfindlichen Elemente in den Vorrichtungen nach den Figuren 6 und ^ bestehen aus diskreten Elementen. Die Signale der beiden ersten Elemente können mit denen der beiden letzten Elemente kombiniert und dann einem Differenzverstärker (67 bzw. 75) zugeführt werden.

Fig. 8 zeigt eine der nach Fig. 1 analoge Vorrichtung, wobei jedoch ein zusätzlicher Kondensator 81 und ein Polarisationswiderstand 82 angebracht sind. Dadurch wird die Gleichstromkomponente, die durch die Speisespannung oder die langsamen Aenderungen des Signals herbeigeführt wird, infolge einer ungleichen Beleuchtung des betrachteten Gegenstandes nicht dem Verstärker 84 zugeführt.

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Claims (5)

1. 2325Ί57

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   PATENTANSPRÜCHE :

   [ 1.) Vorrichtung zum Detektieren sich bewegender Gegenstände, die enthält: ein optisches Abbildungssystem, ein strahlungsempfindliches Detektionssystem zur Umwandlung der durch das Abbildungssystem hindurchtretender Strahlung in elektrische Signale, sowie eine elektronische Schaltung zur Verarbeitung dieser Signale, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionssystem vier gesonderte strahlungsempfindliche Detektionselemente enthält, die in der Richtung, in der sich ein Bild eines Segenstandes bewegt, hintereinander angeordnet sind, wobei die Ausgangsklemmen'der Detektionselemente derart miteinander verbunden sind, dass das Signal an den beiden Ausgangsklemmen des Gesamtdetektionssystems der zeitliche Differentialquotient des Signals ist, das bei Anwendung eines einfachen Detektors auftreten würde.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet _r dass das Bezugssignal, mit dem in der elektronischen Schaltung das Ausgangssignal des Detektionssystems verglichen wird, ein positives, ein negatives und ein Null-Niveau enthält.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vier strahlungsempfindlichen Detektionselemente aus Bolometerelementen bestehen, die von Elektroden begrenzt werden, wobei eine Speisequelle zwischen den miteinander verbundenen äusseren Elektroden einerseits und der inneren Elektrode andererseits eingeschaltet ist, während die miteinander verbundenen übrigen Elektroden an einen Eingang der elektronischen Verarbeitungsschaltung angeschlossen sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vier strahlungsempfindlichen Detektionselemente

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   aus Photodioden bestehen, wobei eine erste Speisequelle an die geradzahligen Photodioden und eine zweite Speisequelle an die ungeradzahligen Photodioden angeschlossen ist, während die Ausgangsklemmen der mittleren Photodioden, die mit den Ausgangsklemmen jeweils der benachbarten äusseren Photodiode verbunden sind, mit den Eingangsklemmen der elektronischen Verarbeitungsschaltung gekoppelt sind.
5. 5. Vorrichtung nach.Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vier strahlungsempfindlichen Detektionselemente aus Photobatterien bestehen, wobei, die Klemmen der mittleren Photobatterien, die mit den Klemmen jeweils der benachbarten äusseren Photobatterie verbunden sind, mit den Eingangsklemmen der elektronischen Verarbeitungsschaltung gekoppelt sind.

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