DE69426253T2

DE69426253T2 - Optisches System mit Kompensation des Bildebenenarrays

Info

Publication number: DE69426253T2
Application number: DE69426253T
Authority: DE
Inventors: Gordon C. Mackenzie
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1993-10-04
Filing date: 1994-09-26
Publication date: 2001-06-21
Anticipated expiration: 2014-09-27
Also published as: EP0647064B1; DE69426253D1; EP0647064A1; JPH07222059A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Abbildungssystems, das aus den Schritten besteht:
Fokussieren eines Strahls von Infrarotenergie auf einen Array aus Photodetektoren und Ausbilden einer "in-focus-Abbildung" bzw. scharfen Abbildung, die ein Array aus Pixel bzw. Pixelmuster aufweist, wobei jedes Pixel durch ein digitales Wort dargestellt ist;
Defokussieren des Strahls von Infrarotenergie auf den Array aus Photodetektoren und Ausbilden einer "out-of-focus-Abbildung" bzw. unscharfen Abbildung, die ein Array aus Pixel aufweist, wobei jedes Pixel durch ein digitales Wort dargestellt ist; und
Differenzieren des digitalen Wortes jedes Pixels der out-of-focus-Abbildung mit dem digitalen Wort eines entsprechenden Pixels der in-focus-Abbildung, um eine Differenzabbildung vorzusehen, die aus einem Array aus Pixel besteht, wobei jedes Pixel durch ein digitales Wort dargestellt ist, das ein begrenztes Bildfeld des optischen Systems anzeigt.
Die Erfindung betrifft ebenso ein optisches Abbildungs- bzw. Bilderkennungssystem zum Ausführen des Verfahrens. Eine Art von Infrarotraketensuchköpfen enthält ein kardanisch aufgehängtes (gimballed) Fokussierungssystem zum Fokussieren von Infrarotenergie einer externen Szene, welche ein Ziel enthalten kann, zu einer Abbildung in einer Brennebene innerhalb des Suchkopfes. In der Brennebene sind Detektoren in einem Array (focal plane array = FPA) zum Erfassen der darauf einfallenden Infrarotenergie angeordnet. Die durch den Array von Detektoren erzeugten Signale werden als auf das Vorhandensein und die Eigenschaften, einschließlich einer Position in dem Bildfeld, sowohl eines Zieles als auch anderer Hintergrundobjekte darstellend behandelt.
Verschiedene Verfahren zum Verarbeiten von Infrarotenergie zum Erzielen einer Darstellung eines Zieles enthalten das Verfahren, das in US-Patent Nr. 3 872 308, erteilt am 18. März 1975, Erfinder James E. Hopson and Gordori G. MacKenzie, US-Patent Nr. 4 339 959, erteilt am 20. Juli 1982, Erfinder Benjamin Klaus, Jr. and Gordon C. MacKenzie und US-Patent Nr. 5 072 890, erteilt am 17. Dezember 1991, Erfinder Benjamin Klaus Jr., Gordon C. MacKenzie and Richard A. Beckerleg offenbart wird, wobei die vorstehenden US-Patente Nr. 3 872 308, 4 339 959 und 5 072 890 demselben Anmelder wie die vorliegende Erfindung erteilt wurden.
Ein Infrarotsuchkopf mit einem Detektor-Array, der in einer Brennebene angeordnet ist (FPA- bzw. Flächendetektor), bildet eine Abbildung (d. h. ein Bild) einer Szene innerhalb des Bildfeldes des infraroten Suchkopfs aus. Die Abbildung ist aus einer Vielzahl von Pixel (d. h. Bildelementen) ausgebildet, wobei jedes Pixel mit einem Detektorelement des Detektor-Arrays korrespondiert. Ein Detektor-Array mit beispielsweise 128 · 128 Elemente würde eine Abbildung mit 128 · 128 Pixel vorsehen und ein Detektor-Array mit 256 · 256 Elementen würde eine Abbildung mit 256 · 256 Pixel vorsehen. Für Abbildungen, die durch einen Computer weiter verarbeitet werden sollen, wird die Abbildung wohl am ehesten durch einen Array von digitalen Worten dargestellt, wobei jedes Wort die Intensität der Infrarotenergie von einer kleinen Fläche innerhalb des augenblicklichen Bildfeldes korrespondierend zu einem Detektorelement des Detektor-Arrays angibt. Daher werden die Ausgangssignale des Detektor-Arrays durch einen Analog-Digital-Wandler digitalisiert und eine Abbildung als ein zweidimensionaler Array aus Pixel vorgesehen, wobei jedes Pixel durch ein digitales Wort dargestellt ist. Die Abbildung wird dann durch einen Computer oder einen Prozessor in bekannter Weise weiter verarbeitet.
Ein Problem bei einem Infrarotsuchkopf, der einen FPA verwendet, besteht darin, daß jeder Detektor in dem Array aus Detektoren veränderliche Eigenschaften aufweist, einschließlich einer DC-Offset-Spannung und einer Verstärkung/Ansprechempfindlichkeit aufgrund von physikalischen und elektrischen Unregelmäßigkeiten. Diese veränderlichen Eigenschaften resultieren in rausch-ähnlichen Abbildungsunregelmäßigkeiten (im allgemeinen als Fixed Pattern Noise bzw. FPN bezeichnet), welche im Raum weitgehend unkorreliert sind (d. h., von Element zu Element), und zeitlich relativ unveränderlich sind (d. h., von Einzelbild zu Einzelbild). Um diese veränderlichen Eigenschaften zu minimieren, werden verbesserte Herstellungsprozesse zum Verringern der physikalischen und elektrischen Unregelmäßigkeiten verwendet. Obwohl dies in einigen Fällen ausreicht, wird im allgemeinen eine zusätzliche Kompensation erforderlich sein, um das FPN weiter zu verringern, insbesondere bei Infrarotbild gebenden Verfahren.
US-A-4 065 788 beschreibt einen analogen Echtzeit-Bildprozessor, bei welchem eine bildgebende Vorrichtung eine in-focus- oder eine out-of-focus-Abbildung auf einem Sensor in der Form eines zweidimensionalen Photodioden-Arrays ausbildet, bei welchem jede Photodiode eine individuelle Ansprechempfindlichkeit oder Verstärkung aufweist und ein individuelles Dunkelsignal erzeugt. Ein Synchronsignalgenerator erzeugt Taktsignale zum Auslesen des Videosignals aus dem Sensor und ein Ansteuersignal für eine Defokussierungsvorrichtung, die den Defokussierungsgrad bei aufeinanderfolgenden Video-Frames verändert, so daß bei aufeinanderfolgenden Frames eine Abbildung auf dem Sensor abwechselnd scharf (d. h. in-focus) bzw. unscharf (d. h. outof-focus) ist. Das Ausgangssignal des Sensors wird durch einen Video-Minimum- Spitzenwert-Detektor (video minimum peak detector) kontinuierlich erfaßt, der den DC-Referenzwertgenerator ansteuert. Der so erzeugte DC-Referenzwert wird in einem Addierverstärker von dem Ausgangssignal des Sensors subtrahiert, und das sich ergebende angepaßte Videosignal wird direkt einem Eingang eines weiteren Addierverstärker und einer analogen Speicher- und Verzögerungsschaltung zugeführt. Das Ausgangssignal der analogen Speicher- und Verzögerungsschaltung wird an einen invertierenden Eingang des weiteren Addierverstärkers geliefert. Der Synchronsignalgenerator steuert die analogen Speicher- und Verzögerungsschaltung so, daß der weitere Addierverstärker eine "frame-to-frame"- bzw. Einzelbild-Subtraktion ausführt, und sieht dabei ein Ausgangssignal vor, das durch die Unterdrückung von Niederfrequenz(NF)-Raumbeiträgen (low frequency spatial components) und eines Rauschen, zu dem die aktiven Detektoren beitragen, verbessert ist. Die analoge Speicher- und Verzögerungsschaltung enthält eine ladungsgekoppelte Speicher- und Verzögerungseinheit, um analoge Daten eines ganzen Frames zu verzögern. Der Synchronssignalgenerator steuert ebenso eine Vorzeichenwechseleinheit an dem Ausgang des weiteren Addierverstärkers, um einen Wechsel des Vorzeichens des Ausgangs des weiteren Addierverstärkers während alternierender Frames vorzusehen, da der Verstärkerausgang in Abhängigkeit davon, ob der augenblickliche Frame scharf oder unscharf ist, zwischen einem richtigen Vorzeichen und einem unrichtigen Vorzeichen wechselt. Die Defokussierungsvorrichtung kann eine halbkreisförmige transparente parallele Platte, die zum Defokussieren alternierender Frames gedreht wird, einen in ähnlicher Weise gedrehten Streuschirm, eine Nocken- Feder-Anordnung, die zum Hin- und Herbewegen einer Fokussierungslinse entlang der optischen Achse in der Lage ist, um abwechselnd an Positionen zum Fokussieren bzw. Defokussieren der Abbildung an dem Sensor zu verweilen, oder eine dynamisch streuende Flüssigkristallplatte sein, die zum Erzeugen einer Diffusion der Abbildung aufgrund von daran angelegten periodischen elektrischen Signalen dazwischen gelegt ist, so daß der erzeugte Defokussierungsgrad elektrisch gesteuert ist.
EP-A-0 468 474 beschreibt ein Verfahren, der hierin am Anfang bestimmten Art, das bei einer Infrarotkamera verwendet wird. Infrarotes Licht von einer Szene wird durch eine Objektlinse aufgenommen und wiederum durch einem kardanisch gelagerten Spiegel, einem ersten stationären Spiegel, einem Prisma, einem Fokussierungslinsensystem, einem Abtastspiegel, einem zweiten stationären Spiegel und einem bildgebenden Linsensystem auf einen Array aus Infrarotdetektoren in Form einer Vielzahl von ladungsgekoppelten Infrarotlicht-Zeilendetektoren gerichtet. Ursprünglich wurde durch ein Einstellen des Fokussierungslinsensystems die Abbildung der Szene so weit wie möglich auf dem Detektor-Array defokussiert. Die resultierende hoch defokussierte Abbildung sieht eine fast gleichmäßige Lichtverteilung vor, deren Intensität einen Durchschnittswert der Infrarotabstrahlung der Szene darstellt, die somit optische gemittelt ist. Die von den Detektoren des Arrays seriell ausgegebenen resultierenden Signale werden verstärkt und in digitale Signale umgewandelt, die weiterhin für einen einzigen oder eine vorbestimmte Anzahl von Abtastungen der Szene elektronisch gemittelt werden, um Detektorelementdurchschnittswerte vorzusehen, welche als Kompensationsdaten in einem RAM gespeichert werden. Als nächstes wird das Fokussierungslinsensystem eingestellt, um die Szene auf dem Detektor-Array zu fokussieren, und die resultierenden Signale werden verstärkt, digitalisiert und als unaufbereitete Daten bzw. Ursprungsdaten einem Addierer zugeführt. Die Ursprungsdaten werden in dem Addierer durch die Kompensationsdaten, die aus dem RAM ausgelesen worden sind, modifiziert, so daß der jeweilige Durchschnittswert von jedem Element der Ursprungsdaten subtrahiert wird. Somit wird der DC-Offset jedes Detektorelements kompensiert. Zum Kompensieren der individuellen Verstärkungen der Detektorelemente muß die Durchschnittsbildung zwei- oder mehrmals ausgeführt werden, wobei die Kamera unterschiedliche Szenen mit unterschiedlichen thermischen Werten aufnimmt. Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, wie es am Anfang hierin bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Defokussierung periodisch ausgeführt wird und weiterhin durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:
Vorsehen einer Einzelpunkt-Referenzabbildung, die aus einem Array aus Pixel besteht, wobei jedes Pixel durch ein digitales Wort darstellt;
Differenzieren des digitalen Wortes jedes Pixels der Einzelpunkt-Referenzabbildung mit dem digitalen Wort eines korrespondierenden Pixels der in-focus-Abbildung und Durchlaufenlasssen des Ergebnisses durch einen digitalen Tiefpaßfilter, um eine gefilterte Abbildung vorzusehen, die aus einem Array aus Pixel besteht, wobei jedes Pixel durch ein digitales Wort dargestellt ist; und
Summieren des digitalen Wortes jedes Pixels der Differenzabbildung mit dem digitalen Wort eines korrespondierenden Pixels der gefilterten Abbildung, um eine korrigierte Abbildung vorzusehen.
Gemäß eines anderen Aspekts der Erfindung besteht ein optisches Abbildungssystem aus einer Vorrichtung zum Fokussieren eines Strahls von Infrarotenergie auf einen Array aus Photodetektoren und zum Ausbilden einer in-focus-Abbildung, die aus einem Array aus Pixel besteht, wobei jedes Pixel durch ein digitales Wort dargestellt wird, sowie zum Defokussieren des Strahls von Infraroteilergie auf dem Array aus Photodetektoren und zum Ausbilden einer out-of-focus-Abbildung, die aus einem Array aus Pixel besteht, wobei jedes Pixel durch ein digitales Wort dargestellt ist; und
einer Vorrichtung zum Differenzieren des digitalen Worts jedes Pixels der out-of-focus-Abbildung mit dem digitalen Wort eines korrespondierenden Pixels der in-focus-Abbildung, um eine Differenzabbildung vorzusehen, die aus einem Array aus Pixel besteht, wobei jedes Pixel durch ein digitales Wort dargestellt ist, das ein begrenztes Bildfeld des optischen Systems anzeigt, gekennzeichnet dadurch, daß die Fokussierungs- und Defokussierungsvorrichtung derart aufgebaut ist, daß ein Defokussieren periodisch ausgeführt wird, und das System ferner durch eine Vorrichtung zum Vorsehen einer Einzelpunkt-Referenzabbildung, die aus einem Array von Pixel besteht, wobei jedes Pixel durch ein digitales Wort dargestellt ist;
eine Vorrichtung zum Differenzieren des digitalen Wortes jedes Pixels der Einzelpunkt-Referenzabbildung mit dem digitalen Wort eines korrespondierenden Pixels der in-focus-Abbildung und zum Durchlaufenlassen des Ergebnisses durch einen digitalen Tiefpaßfilter, um eine gefilterte Abbildung vorzusehen, die aus einem Array aus Pixel besteht, wobei jedes Pixel durch ein digitales Wort dargestellt ist; und
eine Vorrichtung zum Summieren des digitalen Wortes jedes Pixels der Differenzabbildung mit dem digitalen Wort eines korrespondierenden Pixels der gefilterten Abbildung, um eine korrigierte Abbildung vorzusehen, gekennzeichnet wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung sieht ein Verfahren zum Verbessern der Zielerfassungsfähigkeit eines Infrarotsuchkopfs vor.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das Infrarotbildgebende optische System zum Aufnehmen eines Strahles von Infrarotenergie eine in dem Strahl aus elektromagnetischer Energie angeordnete vordere optische Anordnung, die eine erste Siliziumlinse und eine erste Germaniumlinse enthält, wobei die erste Siliziumlinse juxtapositionell (d. h. nebeneinander) zu ºder ersten Germaniumlinse angeordnet ist, eine sich drehende bzw. drehbare dielektrische Scheibe mit einem Mittelpunkt und einem ersten Abschnitt mit einer ersten Dicke und einem zweiten Abschnitt mit einer zweiten dazu unterschiedlichen Dicke, wobei die sich drehende dielektrische Scheibe mit dem Mittelpunkt der sich drehenden dielektrischen Scheibe außerhalb des Strahls aus elektromagnetischer Energie angeordnet ist, so daß periodisch der erste Abschnitt der sich drehenden dielektrischen Scheibe innerhalb des Strahls aus elektromagnetischer Energie angeordnet ist und alternativ der zweite Abschnitt der sich drehenden dielektrischen Scheibe innerhalb des Strahls aus elektromagnetischer Energie angeordnet ist. Das optische Abbildungssystem enthält weiterhin eine hintere optische Anordnung, die eine zweite Siliziumlinse, die juxtapositionell zu der sich drehenden dielektrischen Scheibe angeordnet ist, ein Falt-Spiegelpaar bzw. ein Paar von Strahlumlenkspiegeln, das innerhalb des Strahls aus magnetischer. Energie angeordnet sind, um die Richtung des Strahls aus elektromagentischer Energie umzukehren, und eine dritte Siliziumlinse und eine zweite Germaniumlinse, wobei die dritte Siliziumlinse juxtapositionell zu der zweiten Germaniumlinse angeordnet ist und die dritte Siliziumlinse und die zweite Germaniumlinse innerhalb des Strahls aus elektromagnetischer Energie angeordnet sind. Zum Abschluß des optische Abbildungssystem ist ein Detektor-Array innerhalb des Strahls aus elektromagnetischer Energie angeordnet, um die elektromagnetische Energie zu erfassen. Mit einer derartigen Anordnung ist ein Verfahren zum Verbessern der Erfassungsfähigkeit des Infrarotsuchkopfs geschaffen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Für ein umfassenderes Verständnis der Erfindung wird nun auf die folgende Beschreibung der beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, wobei:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Rakete zeigt, die ein Fokussierungssystem gemäß der Erfindung verwendet;
Fig. 1A eine grafische Darstellung von scheinbaren bzw. sichtbaren Szenestrahlendichteanteilen für einen typischen LWIR-Suchkopf (8,0 bis 9,2 um) bei einer typischen taktischen Kampfhandlung zeigt;
Fig. 2A und 2B schematische Skizzen zeigen, die ein Verfahren zum Fokussieren und Defokussieren eines Energiestrahls erläutern;
Fig. 2C ein Flußdiagramm zeigt, das ein Verfahren zum Verarbeiten von Abbildungen zeigt;
Fig. 2D eine Skizze eines Zeitablaufdiagramms zeigt, das eine Beziehung zwischen einer Drehscheiben-Dither-Mechanismus-LCD und einer Erfassung durch den Array aus Detektoren zeigt;
Fig. 3A zeigt einen Plot des Spitzenwertausgangs des Zielsignals (peak output target signal) und des Effektivwertausgangs des Störechos (output RMS clutter) gegenüber dem Defokussierungsbetrag in der out-of-focus-Referenzabbildung für einen taktischen Suchkopf unter einer typischen Kampfhandlungsbedingung;
Fig. 3B zeigt korrespondierende Plots eines vorhergesagten Signal-Interferenz-Verhältnisses nach einem zweidimensionalen (Einzelbild) Verarbeitung mit angepaßten Filter gegenüber dem Defokussierungsbetrag für eine rauschbegrenzte Bedingung (kein Störecho) bzw. einer strengen Wüsten-Störechobedingung (servere dessert clutter condition);
Fig. 4A zeigt eine schematische Querschnittansicht eines Abschnitts eines Infrarot-Suchkopfs gemäß der Erfindung;
Fig. 4B zeigt eine isometrische Ansicht eines teilweise freigelegten Infrarotsuchkopfs gemäß der Erfindung; und
Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zum Verarbeitung von Abbildungen gemäß der Erfindung zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Im folgenden wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine Rakete 100 mit einen Infrarotsuchkopf 110 gezeigt ist. Der Infrarotsuchkopf 110 enthält ein Fokussierungssystem 10 zum Aufnehmen von Infrarotenergie, die von einer externen Szene mit einem nicht näher dargestellten enthaltenen Ziel emittiert wird, und zum Fokussieren der Infrarotenergie auf einen Array aus Detektoren 12. Eine Ausgangsabbildung von dem Array aus Detektoren 12 wird einem Computerprozessor und einem Controller 14 zugeführt, wobei die Abbildung derart verarbeitet wird, daß Lenksteuersignale erzeugt werden, die eine Steuerung des Kurses der Rakete 100 bewirken. Der Prozessor und der Controller 14 sehen ebenso Steuersignale für ein Gimbal-System 16 zum Steuern eines Ziel- bzw. Ortungswinkels des Fokussierungssystems 10 vor. Bei einer taktischen Rakete 100 benötigt der Array aus Detektoren 12 typischerweise einen großen dynamischen Bereich aufgrund eines allgemeinen niedrigen thermischen Szenenkontrastes, welcher durch atmosphärische Funkfelddämpfungen weiter verringert ist. Das FPN wird bei einem Array aus Detektorelementen mit einem großen Dynamikbereich sichtbarer.
Fig. 1a zeigt die gesamte scheinbare bzw. sichtbare Szenenstrahlungsdichte für einen typischen Langwelleninfrarot-(LWIR)-Suchkopfs (d. h., 8,0 bis 9,2 um-Band) in einer typischen taktischen nach unten sehenden Kampfhandlung gegen ein strenges bzw. starkes Wüsten-Störecho (severe desert clutter) (d. h., mit einer effektiven (RMS) Temperaturabweichung von 7,3ºC) und kann verwendet werden, um sowohl einen Einblick in die Natur des Problems als auch repräsentative numerische Beispiele zu geben, die Vorteile im Vergleich zu anderen Kompensationsverfahren zeigen. Um diese numerischen Diskussionen zu erleichtern sind die Strahlungsdichte-Werte nicht nur in den üblichen radiometrischen Einheiten (d. h., Photonen pro cm² pro Sekunde pro Raumwinkel) angegeben, sondern ebenso die integrierte Ladung (d. h., in Ladungsträgern; Elektroden oder Löcher) für ein typisches Detektorelement (d. h., mit einer durchschnittlicher Ansprech-Empfindlichkeit/Verstärkung und keinem elektrischem Offset).
Die Werte der gesamten sichtbaren Strahlungsdichte, die in Fig. 1a gezeigt sind, enthalten einen großen räumlich konstanten (d. h., Raum-DC) Term QDC bei 15600000 Ladungsträgern und einen kleinen räumlich variierenden Störechoterm σC mit einer effektiven (RMS) Abweichung von 334000 Ladungsträger (d. h., lediglich 2,1% des Raum-DC-Terms). Das nominelle effektive Systemrauschen, allein aufgrund des Schrotrauschens (d. h. Ladungsquantisierung) ist ohne weiteres als die Quadratwurzel des Raum-DC-Terms bzw. 3 950 Ladungsträger bestimmbar. Einschließlich anderer typischer Rauschquellen (z. B. thermischen oder dem Johnson-Rauschen von elektronischen Komponenten) wird das gesamte effektive Systemrauschens σN auf 5000 Ladungsträger geschätzt. Im Unterschied zu dem FPN ist dieses unvermeidliche Systemrauschen sowohl räumlich (d. h., von Element zu Element in dem Detektor-Array) und zeitlich (d. h., von Frame zu Frame) unkorreliert, und bestimmt somit die Grenzleistung, die mit einer perfekten Kompensation des FPN erzielbar ist. Das Verhältnis des FPN zu dem gesamten effektiven Systemrauschen beträgt 15600000/5000 = 3120 (69,9 dB). Um einen auf das Systemrauschen begrenzten Betrieb zu erzielen (d. h., mit minimalen Effekt aufgrund des FPN), muß der Effektivwert des restlichen FPN nach der Kompensation weniger als 1/3 120 = 0,032% des Raum-DC-Terms betragen. Dieser große Dynamikbereich und der entsprechend niedrige Korrekturprozentsatz, die für eine wirksame Elimination des FPN notwendig sind, sind ein Schlüsselmerkmal des Problems, insbesondere bei Infrarotbildgebenden Systemen.
Der Raum-DC-Term in Fig. 1a resultiert aus (mindestens) vier Bestandteilen: 1) Emission und Reflexion der durchschnittlichen externen Hintergrundszene, wie sie durch die Atmosphäre, den exponierten bzw. belichteten Fenster und interner Optik gesehen wird; 2) Emission und Streuung von dem atmosphärischen Pfad bzw. Weg, wie sie durch das Fenster und die Optik gesehen wird; 3) Emission und Reflexion von dem aerodynamisch erwärmten Fenster, wie sie durch die Optik gesehen wird; und 4) Emission und Reflexion von der internen Suchkopfoptik. Ein anderes Schlüsselmerkmal des Problems besteht darin, daß die gesamte sichtbare räumliche Raum-DC-Strahlungsdichte aufgrund irgendeines dieser Anteile sowohl stark als auch schnell variieren kann. Insbesondere kann die externe Szene sich schnell ändern (z. B. beim Schwenken von einem Hintergrund mit warmer Erde zu einem Hintergrund mit kalten Himmel) und die Temperatur des belichteten Fensters kann sich mit einer Geschwindigkeit von mehr als 100ºC pro Sekunde ändern (z. B. während der Abschußphase).
Ein bekanntes Verfahren zum Korrigieren von FPN enthält ein Addieren von einem oder mehreren aktiv gesteuerten Referenzquellenelementen, welche periodisch in dem optischen Pfad bewegt werden (z. B. in einer passenden out-of-focus-Lage), um gleichförmige gemeinsame radiometrische Referenzoberflächen für all die Detektorelemente in der Brennebenenanordnung (FPA) vorzusehen. Eine einzige Referenzquelle sieht Daten vor, die ausreichen, um dynamisch alle Elemt-zu-Element-Ausgangsabweichungen bei der Referenzquellen-Strahlungsdichte dynamisch zu korrigieren. Sie ist anschließend bei der Kompensation von sowohl temporären Offset-Driften als auch Ausgangsabweichungen bei der Referenzquellen-Strahlungsdichte, welche aus den Element-zu-Element-Offset-Abweichungen resultieren, wirksam. Die letzteren sehen keine dynamische Verstärkungskorrektur vor und sind somit auf gespeicherte Verstärkungskorrektur-Koeffiezienten (d. h. in einer Look-up-Tabelle bzw. in einer Verweistabelle) angewiesen, die aus einer einmaligen Kalibrierung abgeleitet worden sind. Es sollte beachtet werden, daß das Rest-Pattern-Noise (Rest-PN) nach der Einzelpunktkorrektur, d. h. nach Subtraktion eines Referenz-Frames von einem Abbildungs- Frame, aus der Verstärkungsfehlermodulation der Differenzstrahlungsdichte zwischen den zwei Frames resultiert. Wenn wir die Durchschnittsverstärkung aller Detektorelemente zu Eins normieren, (um direkte Vergleiche der Eingangs- und Ausgangsstrahlungsdichte zu erhalten,) kann der mittlere quadratische Fehler des Rest-PN aus folgender Gleichung abgeleitet werden:
wobei
σp = äquivalente effektive Rest-PN-Strahlungsdichte,
σG = effektive relative Abweichung der Element-zu-Element-Verstärkung,
LC = mittlere scheinbare bzw. sichtbare Szenenstrahlungsdichte,
LREF = Referenzquellen-Strahlungsdichte, und
σC = scheinbare bzw. sichtbare effektive Abweichung der Störecho-Strahlungsdichte.
Der erste Term der Gleichung 1 resultiert aus einer Verstärkungsfehlermodulation der DC-Differenz zwischen der mittleren Szenenstrahlungsdichte (einschließlich aller Beiträge) und der Referenzquellen-Strahlungsdichte und ist auch bei einem Fehlen jeglicher Hintergrundszenen-Störechodetails (z. B. blauer Himmelhintergrund) vorhanden. In einer Laborumgebung, bei der die externe Szene, der atmosphärische Pfad, Kuppel und Infrarotfenster, interne Optik und Gehäuse und interne Referenz alle ungefähr die gleiche Temperatur aufweisen, ist die Strahlungsdichtedifferenz im allgemeinen ziemlich klein und es kann normalerweise eine akzeptable Leistung mit erzielbaren Verstärkungsfehlerquadraten (nach dem Verwenden einer Verweistabelle zur Korrektur) von ein bis zwei Prozent erreicht werden. In einer taktischen Umgebung wird die mittlere sichtbare Szenenstrahlungsdichte signifikant aufgrund von Lufterwärmung und externen Szenenbedingungen (z. B. kalter Himmel gegenüber warmen Erdhintergrund) variieren, was zu signifikanten Unterschieden zu der internen Referenz führt. Z. B. würde ein Referenzstrahlungsdichte-Offset von zehn Prozent (z. B. aufgrund eines heißen Fensterbeitrags) gekoppelt mit einer effektiven Verstärkungsabweichung von einem Prozent ein effektives Rest-PN von ungefähr 15 600 Ladungsträgern xrzeugen. Während dies eine Verbesserung gegenüber einem unkorrigierten System darstellt, übersteigt es jedoch weiterhin die Eigenschaftsanforderungen an das effektive Systemrauschen (d. h. 5000 Ladungsträger). Es sollte verstanden werden, daß die einfache Subtraktion von zwei Frames das nicht korrelierte effektive Systemrauschen normalerweise um einen Faktor von 2 oder 3 dB erhöhen würde. Dieser Faktor ist bei unserer Diskussion nicht in Betracht gezogen, da oftmals eine Mittelwertbildung von mehreren Referenzframes verwendet wird, um den effektiven Rauschbeitrag des Referenzframes zu verringern und dieser Faktor liegt außerhalb des Umfangs des hier angesprochenen Problems.
Der zweite Term in Gleichung 1 resultiert aus einer Verstärkungsfehlermodulation des räumlich variierenden Störechos der Hintergrundszene einschließlich einer räumlichen Tiefpassfilter-Verringerung der Amplitude des Störechos durch die Sensor-Modulationstransferfunktion (MTF) (d. h., Optik- und Detektor-MTF). Da die Abweichung des Störechos normalerweise ziemlich klein verglichen mit den DC-Strahlungsdichtewerten ist (z. B. Null bei keinem Störecho und 2,1 % in Fig. 1a), ist dieser Term verglichen mit dem Ersten im allgemeinen vernachlässigbar. Es sollte beachtet werden, daß die Modulationstransferfunktion ein Maß für die Sensorauflösung ist, d. h., der Unterschied zwischen den beobachteten maximalen und minimalen Amplituden, dividiert durch die Summe der Maxima und Minima.
Die Verwendung von zwei Referenzquellen (Zwei-Punkt-Korrektur) sieht Daten vor, die ausreichen, sowohl den Offset- als auch die Verstärkungs-Drift-Abweichungen mit Restfehlern, die lediglich aus Nichtlinearitäten resultieren, dynamisch zu korrigieren. Bei einer vernünftigen Auswahl der Referenzstrahlungsdichten (z. B. Temperaturen), um den erwarteten Bereich des sichtbaren Szenenstrahlungsdichten vorwegzunehmen, kann die Zwei-Punkt-Korrektur die PN-Werte signifikant verringern. Der Nachteil der Zwei-Punkt-Korrektur besteht darin, daß sie im allgemeinen sehr schwierig zu realisieren ist. Sie erfordert nicht nur ein periodisches Einfügen von zwei Referenzquellen, sondern erfordert zumindest, daß eine der Quellen aktiv gesteuert oder bei einer Temperatur innerhalb einer Zeitkonstante stabilisiert wird, die Erfordernissen von kurzen Anlaufzeit des Suchkopfs (z. B. 5 bis 10 Sekunden) kompatibel sind.
Bei einer Suchkopfumgebung muß die Frequenz der Kalibrierung passend zu der antizipierten Betriebsumgebung ausgewählt werden. Z. B. kann eine Kalibrierung alle paar Sekunden oder sogar Minuten in einer Laborumgebung geeignet sein, aber in einer Betriebsumgebung, bei der der Suchkopf starke und schnelle Veränderungen der Temperatur und Szenebedingungen erfährt, muß die Frequenz der Kalibrierung sich der Framerate annähern oder diese erreichen, wenn eine nahezu optimale Korrektur aufrecht erhalten werden soll. Dies kann jedoch mit einer aktiven Referenzquelle nicht wirkungsvoll erreicht werden.
Das hierin beschriebene Korrekturverfahren ist eine Abwandlung des zuvor beschriebenen Einzelpunkt-Verfahrens, wobei an Stelle einer internen Referenzquelle eine defokussierte Abbildung als der Referenzframe verwendet wird. Das defokussierte Abbildungsverfahren erfordert keine Steuerungen der Referenztemperatur und behält daher die Einfachheit des grundlegenden Einzelpunkt-Verfahrens. Das defokussierte Abbildungsverfahren sieht keine Daten für eine dynamische Verstärkungskorrektur vor und muß daher auf gespeicherte Verstärkungskorrekturkoeffizienten (d. h. auf eine Verweistabelle) zurückgreifen, die aus einer einmaligen Kalibrierung mit geschätzten effektiven Langzeit-Verstärkungs-Fehlern in der Größenordnung von ein bis zwei Prozent abgeleitet werden. Ein Vorteil bei der Verwendung einer defokussierten Abbildung der Szene als eine Referenz besteht darin, daß die "Szenenbasierte Referenz" sich automatisch an sich verändernde Radiometrie- und Temperaturbedingungen von allen anderen Quellen (d. h., externer Szene, atmosphärischem Pfad, Fenster und interner Optik und Gehäuse) anpaßt, wodurch die Differenz zwischen der mittleren Szenestrahlungsdichte und der Referenzstrahlungsdichte eliminiert ist.
Im Folgenden wird auf die Fig. 2a und 2b Bezug genommen. Es sollte beachtet werden, daß ein konvergenter Strahl aus elektromagnetischer Infrarotenergie 24 (d. h., Infrarotenergie), der einen ersten Abschnitt 20a einer dielektrischen Scheibe 20 durchläuft, wobei der erste Abschnitt 20a eine Dicke T1 aufweist, einen Brennpunkt 22a aufweist. Wenn die dielektrische Scheibe 20 derart gedreht wird, daß ein zweiter Abschnitt 20b der dielektrischen Scheibe 20, der eine Dicke T2 aufweist, sich im Weg des divergierenden Strahls aus elektromagnetischer Infrarotenergie 24 befindet, dann wird der Brennpunkt auf den Brennpunkt 22b verschoben. Wenn ein Detektor-Array 26 an einer Stelle angeordnet ist, die mit dem Brennpunkt 22a übereinstimmt, dann wird der Strahl aus elektromagnetischer Infrarotenergie 24 scharf auf dem Detektor-Array 26 abgebildet sein, wenn der erste Abschnitt 20a in dem Weg des Strahls aus elektromagnetischer Infrarotenergie 24 angeordnet ist. Wenn der zweite Abschnitt 22b in der dielektrischen Scheibe 20 in dem Weg des Strahls aus elektromagnetischer Infrarotenergie 24 liegt, dann wird der Brennpunkt des Strahls aus elektromagnetischer Infrarotenergie 24 nicht auf dem Detektor-Array 26 liegen. Durch Drehen der dielektrischen Scheibe 20 kann der Strahl aus elektromagnetischer Infrarotenergie auf dem Detektor-Array 26 an der Stelle, die mit dem Brennpunkt 22a übereinstimmt derart fokussiert und defokussiert werden, das eine in-focus-Abbildung bzw. eine out-of-focus-Abbildung durch den Detektor-Array 26 gesammelt werden kann. Das letztere gestattet eine präzise Defokussierung durch das Einfügen einer flachen Platte mit variabler Dicke auf eine derartigen Weise, daß eine DC-Antwort und Vergrößerung wie gefordert aufrecht erhalten werden kann. Bei dem Fokussierungssystem 10 der Fig. 1 ist die dielektrische Scheibe 20 aus Silizium mit einer Dicke T1, die einen Wert von 0,076 cm (0,030 inches) aufweist und der Dicke T2, die einen Wert von 0,381 cm (0,150 inches) aufweist, hergestellt.
Im folgenden wird auf Fig. 2c Bezug genommen. Dort ist ein Blockdiagramm eines Korrekturverfahrens dargestellt, welches eine einfache Subtraktion zweier aufeinanderfolgender Abtastwerte einer out-of-focus-Abb. 34 und einer in-focus-Abb. 32 mittels eines Subtrahierers 36 erfordert, um eine Bandpass- Differenzabbildung 38 vorzusehen. Es sollte beachtet werden, daß eine PN-Korrektur bei jedem Detektorelement individuell ohne einem Überschreiten von Detektorgrenzen ausgeführt werden muß. Die korrespondierende Modulationstransferfunktion-(MTF)- Kurve für jede Abbildung zeigt, das das Verfahren ebenso einen räumlichen (zweidimensionalen) Bandpassfilter zusätzlich zu der Korrektur vorsieht, welcher nicht nur den DC-Offset entfernt, sondern ebenso die tiefen Raumfrequenzen dämpft. Das Ausmaß der Tieffrequenz-Entfernung hängt von dem Betrag der Defokussierung ab, die für die out-of-focus-Abbildung ausgewählt worden ist (mit dem~-offensichtlich degenerierten Fall ohne Defokussierung, was zu der Elimination der gesamten Szenenantwort führt). Wenn wir wiederum die Durchschnittsverstärkung aller Elemente zu Eins nominieren (um direkte Eingangs- und Ausgangsvergleiche auf der Basis einer Strahlungsdichte oder effektiven integrierten Ladung zu gestatten), kann der effektive Rest-PN-Fehler aus der folgenden Gleichung abgeleitet werden:
σP = σGσC' GL. 2
wobei
σP = äquivalente effektive Rest-PN-Strahlungsdichte,
σG = effektive relative Abweichung der Element-zu-Element-Verstärkung, und
σ'C = scheinbare bzw. sichtbare effektive Abweichung der Störechostrahlungsdichte (einschließlich der räumlichen Bandpassfilterverluste durch die Sensordifferenz-MTF-Funktion).
Die Gleichung 2 unterscheidet sich von der Gleichung 1 darin, daß der DC-VerstärkungsmodulationsTerm (d. h., der erste Term aufgrund der Differenz zwischen der mittleren Szenenstrahlungsdichte und der Referenzquellenstrahlungsdichte) eliminiert ist. Bei einem gleichmäßigen Kampihandlungshintergrund (z. B. blauer Himmel), bei welchem die in-focus- und out-of-focus-Abbildungen praktisch identisch sind, ist der Rest-PN-Fehler nach der Subtraktion im Grunde Null, unabhängig von dem Betrag des Restverstärkungsfehlers. Dieses Ergebnis, was eine nahezu perfekte Korrektur sicherstellt, wenn eine Zielerfassung vollständig durch Rauschen anstelle von Störecho begrenzt wird, (wobei Pattem-Noise d. h. periodische Störungen am meisten sichtbar sind) zeigt die adaptive Natur des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dieses Verfahren tendiert dazu, den Einfluß von Verstärkungsdriftfehlern unter fast allen Bedingungen zu verringern.
Der restliche Term der Gleichung 2 resultiert aus der Verstärkungsfehlermodulation des räumlich variierenden Hintergrundszenenstörechos und ähnelt dem zweiten Term der Gleichung 1. Jedoch wird der Bandpass-Raumfilter, der aus der Subtraktion der out-of-focus-Abb. 34 von der in-focus-Abb. 32 resultiert, die scheinbare bzw. sichtbare Störechoamplitude wesentlich unter die des Einzelpunkt-Verfahrens verringern, was zu noch tieferen Pattern-Noise-Resten führt. Nur soviel sei gesagt, daß der Unterschied zwischen dem in-focus Störecho und dem out-of-focus Störecho bei der mittleren Szenenstrahlungsdichte kleiner als die Differenz zwischen dem in-focus Störecho und einer DC-Referenz ist.
Der Betrag der Defokussierung, der in der out-of-focus-Abb. 34-ausgewählt ist, erfordert eine von der Anwendung abhängige Abwägung zwischen dem Verlust des Zielsignals und einer Reduktion der Störechomodulationseffekte. Man sollte sich bewußt sein, daß eine kleine Defokussierung zu einer beträchtlichen Bandpassfilterdämpfung der höheren Zielraumfrequenzen führt und eine große Defokussierung zu einer sehr kleinen Dämpfung des niederfrequenten Szenen-Störechos führt.
Im folgenden wird auf die Fig. 2a, 2b, 2c und 2d Bezug genommen. Ein typisches Zeitablaufdiagramm der erforderlichen Verarbeitung ist in Fig. 2d gezeigt. Eine Linie 42 zeigt die Lagebeziehung der dielektrischen Scheibe 20. Zu einem Zeitpunkt Ta ist der zweite Abschnitt 20b in dem Bildfeld des Strahls aus elektromagnetischer Infrarotenergie 24 und bleibt in dem Bildfeld des Strahls aus elektromagnetischer Infrarotenergie 24 bis zu einem Zeitpunkt Tb Während einer Zeitdauer von einem Zeitpunkt Tb zu dem Zeitpunkt Tc wandert das Bildfeld des Strahls aus elektromagnetischer Infrarotenergie 24 von dem zweiten Abschnitt 20b zu dem ersten Abschnitt 20a der dielektrischen Scheibe 20. Während einer Zeitdauer von dem Zeitpunkt Tc bis zu einem Zeitpunkt Td passiert das Bildfeld des Strahls aus elektromagnetischer Infrarotenergie 24 durch den ersten Abschnitt 20a der dielektrischen Scheibe 20. Während einer Zeitdauer von dem Zeitpunkt Td bis zu einem Zeitpunkt Ta' wandert das Bildfeld des Strahls aus elektromagnetischer Infrarotenergie 24 von dem ersten Abschnitt 20a zu dem zweiten Abschnitt 20b der dielektrischen Scheibe 20 und dann wiederholt sich der Zyklus von neuem.
Eine Linie 44 zeigt den erforderlichen Zeitablauf zum Verarbeiten von Signalen von dem Detektor-Array 26. Während einer Zeitdauer von dem Zeitpunkt Ta bis zu einem Zeitpunkt Tb passiert das Bildfeld des Strahls aus elektromagnetischer Infrarotenergie 24 durch den zweiten Abschnitt 20b der dielektrischen Scheibe 20 und die out-of-focus-Abbildung wird durch den Detektor-Array 26 integriert. Während einer Zeitdauer von dem Zeitpunkt Tb bis zu einem Zeitpunkt Tc wandert das Bildfeld des Strahls aus elektromagnetischer Infrarotenergie 24 von dem zweiten Abschnitt 20b zu dem ersten Abschnitt 20a in der dielektrischen Scheibe 20 und die während der Zeit Ta bis Th gesammelten Daten werden gelesen. Während einer Zeitdauer von dem Zeitpunkt Tc bis zu einem Zeitpunkt Td passiert das Bildfeld des Strahls aus elektromagnetischer Infrarotenergie 24 durch den ersten Abschnitt der dielektrischen Scheibe 20 und die in-focus-Abbildung wird durch den Detektor-Array 26 integriert. Während einer Zeitdauer von einem Zeitpunkt Td bis zu einem Zeitpuntk Ta' wandert das Bildfeld des Strahls aus elektrischer Infrarotenergie 24 von dem ersten Abschnitt 24a zu dem zweiten Abschnitt 24b der dielektrischen Scheibe 20 und die während der Zeit Tc bis Td gesammelten Daten werden gelesen. Anschließend wiederholt sich dieser Zyklus von neuem.
Gemäß Fig. 3A ist ein Plot des Spitzenwertausgang des Zielsignals und der Ausgang des effektiven Störechos gegenüber dem Betrag der Defokussierung in der out-of-focus-Referenzabbildung für einen taktischen Suchkopf 110 (Fig. 1) bei einer typischen Kampfhandlungsbedingung gezeigt. Fig. 3b zeigt entsprechende Plots eines vorausberechneten Signal-zu-Interferenz-Verhältnisses nach einer Verarbeitung mit einem zweidimensional (Einzel-Frame) angepaßten Filter gegenüber dem Betrag der Defokussierung für eine rauschbegrenzte (kein Störecho) bzw. eine starke Wüsten-Störecho Bedingung. Die Fig. 3a und 3b zeigen eine starke Abhängigkeit von dem Betrag der Defokussierung bis zu 3,0 mrad Durchmesser (d. h. 1,1 Wellen oder 6,8- mal der momentanen Bildwinkel-(IFOV)-Breite) mit einer relativ flachen Antwort für einen größeren Betrag der Defokussierung. Eine vernünftige Defokussierungsauswahl in diesem Fall würde der größere Wert von 3,5 mrad (d. h. 1,3 Wellen oder 8,0-mal die IFOV-Breite) sein, um analytische und herstellungsbedingte Unsicherheiten (z. B. für größere Zielgrößen oder für eine thermische Defokussierung der in-focus-Abbildung) mit einer sehr geringen Erhöhung beim Ausgang des effektiven Störechos (14 Prozent oder 1,1 dB von 3,0 mrad bis 3,5 mrad, wie in Fig. 3A gezeigt) zu zulassen.
Bei einer relativ großen Defokussierung von 3,5 mrad ist der Effekt der Bandpassfilterung so gut wie vernachlässigbar, was auch bei der rauschbegrenzten Erfassung (d. h. so gut wie kein Verlust in der Störechobegrenzungsleistung) zu einem Verlust von lediglich 3,3 Prozent (0,3 dB) bei dem Spitzenwert des Signals und von 4,7 Prozent (0,4 dB) bei dem Signal-zu-Interferrenz-Verhältnis bei dem zweidimensional angepaßten Filterausgang führt. Die gefilterte effektive Abweichung bei starkem Wüsten-Störecho von 250000 Ladungsträgern gekoppelt mit einem Prozent effektiver Verstärkungsabweichung wird eine effektive Abweichung des Rest-PN von lediglich 2 500 Ladungsträger erzeugen, ein Faktor von 2,0 unterhalb eines effektiven Systemrauschens von 5000 Ladungsträgern. Eine effektive Verstärkungsabweichung von bis zu zwei Prozent kann dann zugelassen werden, bevor das effektive Pattern-Noise aufgrund der Verstärkungsfehlermodulation auch des starken Wüsten-Störechos das effektive Systemrauschens erreicht.
Man sollte beachten, daß das Defokussierungsverfahren eine konstante Detektor-DC-Antwort erfordert, d. h., die räumliche DC-Antwort des Sensors muß sowohl bei der in der Brennebene liegenden Abbildungsposition als auch bei der außerhalb der Brennebene liegenden Abbildungsposition die gleiche sein. Genauer gesagt sollte sich die optische Transmission und effektive F/Zahl in Bezug auf jede der einzelnen Strahlungsquellen (d. h., externe Szene, Fenster und Optik und Gehäuse) vorzugsweise nicht ändern. Das Erfordernis einer konstanten DC-Antwort ist erforderlich, um eine DC-Restdifferenz zwischen den scharfen und unscharfen Frames zu vermeiden, was einen ähnlichen Effekt aufweisen würde wie die DC-Abweichung zwischen der mittleren Szenenstrahlungsdichte und der Referenzquellenstrahlungsdichte bei dem Einzelpunkt-Kalibrierungsverfahren (abgesehen davon, daß die Differenz eher ein konstanter Bruchteil der mittleren Szenenstrahlungsdichte als eine ungesteuerte von den Lufterwärmungs- und externen Szenebedingungen abhängige Variable sein würde). Zum Beispiel würde eine zehn prozentige Abweichung in der DC-Antwort gekoppelt mit einer ein prozentigen Abweichung in der effektiven Verstärkung die gleiche effektive Abweichung des Rest-PN von 15 600 Ladungsträgern ergeben, wie sie mit dem Einzelpunkt-Verfahren vorgesehen ist, was den Effektivwert des Rauscherfordernisses von 5000 Ladungsträgern um einen Faktor von 3,12 zu 1 übersteigt. Jedoch kann mit einer vernünftigerweise erzielbaren Abweichungsgrenze der DC-Antwort von einem Prozent (z. B. aufgrund von Transmissionsgrad-Abweichungstoleranzen) das effektive Pattern- Noise auf 1 560 Ladungsträger oder einem Faktor von 3,21 unterhalb des Wertes des Systemrauschens begrenzt werden.
Das Defokussierungsverfahren erfordert ebenso eine konstante optische Detektorvergrößerung, was bedeutet, das die Abbildungsvergrößerung der Detektoren 12 (Fig. 1) im wesentlichen die gleiche sein muß, wenn die dielektrische Scheibe 20 in der in-focus-Position oder der out-of-focus-Position ist. Insbesondere der Hauptstrahl von jeder achsenfernen (off-axis) Position in dem Bildfeld sollte die Detektorebene im wesentlichen an der gleichen Position bei jeder Focus- bzw. Brennebenenposition treffen. Die Wirkung der Vergrößerungsveränderung ist die, daß eine Abweichung in den Bandpassfiltereigenschaften (bei der Differenzabbildung) über das Bildfeld erzeugt wird. Diese Abweichung ist offensichtlich unerwünscht, insbesondere bei Multi-Frame-Signalverarbeitungsverfahren, aber im allgemeinen schwierig zu quantifizieren (d. h., Anwendungsabhängig). Eine Mitte-zu-Mitte-Unschärfeverschiebung (blur shift) bis zu zehn Prozent des Unschärfedurchmessers der out-of-focus-Abbildung kann jedoch als akzeptabel angenommen werden. Für den 3,5 mrad out-of-focus-Unschärfedurchmesser ist die maximale Verschiebung näherungsweise 0,35 mrad.
Das Defokussierungsverfahren erfordert weiterhin ein begrenztes Rollen der Abbildung, das bedeutet, die Szenenabbildung sollte während des Zeitintervalls zwischen der Sammlung von scharfen (in-focus) und unscharfen (outzof-focus) Frame-Daten nicht übermäßig auf der Detektorebene rollen. Diese Begrenzung ist ebenso erforderlich, um übermäßige Abweichungen in den Bandpassfiltereigenschaften (bei der Differenzabbildung) über das Bildfeld hinweg zu verhindern. Der Effekt eines Abbildungsrollens ist ähnlich zu dem Effekt einer Vergrößerungsabweichung, wie zuvor erwähnt, abgesehen davon, daß die Unschärfe-Mitten-Verschiebungen für achsenferne Positionen eher gedreht als radial verschoben sind.
Bei einem typischen Suchkopf-Kampfeinsatz mit einer 60-Hertz-Framerate und einem 3,2 Grad Bildfeld, sieht eine Kalibrierung bei dieser Framerate für jeden in-focus Frame einen out-of-focus Frame innerhalb eines halben Periodenzeitabstands von 8,33 Millisekunden zwischen zwei Frames vor. Um die Frame-zu-Frame-Bewegung an den Ecken des Bildfeldes auf weniger als 0,35 mrad zu begrenzen, (d. h., zehn -Prozent des 3,5 mrad out-of-focus-Unschärfedurchmessers) muß die Rollrate unterhalb von 61 Grad pro Sekunde aufrecht erhalten werden. Dieses Erfordernis ist im allgemeinen ohne weiteres bei modernen roll-gesteuerten Raketen (zumindest während der Zielakquisition) ohne dem Hinzufügen einer Roll-Gimbal-Achse zu erzielen.
Es sollte festgehalten werden, daß einfache Nick- und Giertranslationen zwischen der in-focus-Abb. 32 und der out-of-focus-Abb. 34 ebenso eine effektive Abweichung in den Bandpassfiltereigenschaften in Bezug auf das sich bewegende Szenenstörecho erzeugen wird. Jedoch ist die Abweichung in diesem Fall gleichförmig über dem Bildfeld und, mit Ausnahme für eine leichte Erhöhung in dem Betrag des Szenestörechos in der Differenzabbildung, sollte die Bewegung einen minimalen Effekt auf die Leistungsfähigkeit haben.
Im folgenden wird auf die Fig. 1, 4a und 4b Bezug genommen. Ein optisches System 50, welches in dem Fokussierungssystem 10 der Rakete 100 implementiert ist, enthält eine vordere Optikanordnung 53 mit einer Linse 52 und einer Linse 54. Die Linse 52 ist hier aus Silizium hergestellt und dient als primäre Objektivlinse. Die Linse 54, die hier aus Germanium hergestellt ist und als zweite Objektivlinse dient, ist nahe der Linse 52 zum Fokussieren der Achsenstrahlen 66 der Infrarotenergie auf die Brennebene 55 angeordnet. Das optische System 50 enthält weiterhin eine drehbare dielektrische Scheibe 20 mit einem Mittelpunkt und einem ersten Abschnitt mit einer ersten Dicke und einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten unterschiedlichen Dicke, wobei die drehbare dielektrische Scheibe 20 mit dem Mittelpunkt der drehbaren dielektrischen Scheibe 20 außerhalb des Bildfeldes der darauf einfallenden Infrarotenergie derart angeordnet ist, daß der erste Abschnitt der drehbaren dielektrischen Scheibe 20 innerhalb eines Strahls aus Infrarotenergie und abwechselnd der zweite Abschnitt der drehbaren dielektrischen Scheibe 20 innerhalb des Strahls aus Infrarotenergie periodisch angeordnet wird. Die drehbare dielektrische Scheibe 20 wird durch einen Motor 82 bei einer Drehgeschwindigkeit aufgrund einer Steuerschaltung (nicht gezeigt) relativ zu der Detektor-Array-Framerate gedreht.
Das optische System 50 enthält ferner eine hintere Optikanordnung 57 mit Linsen 56a und 56b, die hier aus Silizium hergestellt sind und juxtapositionell zu der drehbaren dielektrischen Scheibe 20 angeordnet sind. Die Linsen 56a und 56b dienen zusammen als Feldlinsen um die Abbildung des Kaltschirms 74 (cold shield) auf eine Eingangspupille (nicht gezeigt) vor dem optischen System 50 zu projizieren. Außerdem fokussiert die Linse 56a die Hauptstrahlen 64 der Infrarotenergie in parallele Strahlen entlang der optischen Achse 68, wobei sie sich bei der drehbaren dielektrischen Scheibe 20 schneiden. Die hintere Optikanordnung 57 enthält ferner ein Paar von Faltspiegeln 59a, 59b, die innerhalb des Strahls aus Infrarotenergie angeordnet sind, um die Richtung des Strahls aus Infrarotenergie umzukehren. Eine Linse 58, hier aus Silizium hergestellt, und eine Linse 60, hier hergestellt aus Germanium, arbeiten zusammen, um den Strahl aus Infrarotenergie in das Dewar'sche Gefäß 70 zu refokussieren. Das Dewar'sche Gefäß 70 enthält eine evakuierte Kammer 80 um eine geeignete kryogenische Substanz in die Lage zu versetzen, einen Detektor-Array 78 zu kühlen. Ein Spektralfilter 76 ist benachbart zu dem Detektor-Array 78 zur Elimination von Strahlung bei ungewünschten Wellenlängen angeordnet. Ein Kaltschirm 74 sieht eine Aperturblende und eine Austrittspupille für das optische System 50 vor. Ein Dewar'sches Fenster 72 gestattet der Infrarotenergie, in das Dewar'sche Gefäß 70 einzudringen, das die endgültige Vakuumversiegelung vorsieht. Eine Gimbal-Anordnung 84 sieht einen Mechanismus vor, um das optische System SO in Bezug auf das Gehäuse 86 kardanisch aufzuhängen.
Es sollte beachtet werden, daß Infrarotenergie (d. h. elektromagnetische Energie), die von einem Objekt (nicht gezeigt) ausgehen, sich durch den Raum ausbreiten und schließlich auf das Fenster (oder die Kuppel) 48 treffen. Die Infrarotenergie dringt durch das Fenster 48 ein und fällt auf die Linse 52. Die Linse 52 und die Linse 54 arbeiten zusammen, um die Infrarotenergie derart umzulenken, daß die axialen Strahlen 66 der Infrarotenergie derart fokussiert werden, daß eine Zwischenbrennebene erzeugt wird. Die Linse 56a lenkt die Infrarotenergie derart um, daß die Hauptstrahlen 64 parallel zu der optischen Achse 68 (und zueinander) sind, wenn sie die dielektrische Scheibe 20 erreichen. Die Infrarotenergie traversiert die dielektrische Scheibe 20, welche in einer hierin im Zusammenhang mit den Fig. 2a - d beschriebenen Art und Weise arbeitet. Die Infrarotenergie traversiert weiterhin die Linse 56, das Faltspiegelpaar 59a, 59b, die Linse 58 und die Linse 60. Die Infrarotenergie dringt über das Dewar'sche Fenster 72 in das Dewar'sche Gefäß 70 und passiert durch die Aperturblende (und die Austrittspupille), die durch den Kaltschirm 74 vorgesehen sind, wobei die Infrarotenergie auf den Detektor-Array 78 fokussiert ist, wenn sich die dielektrische Scheibe 20 in der in-focus- Position befindet. Alternativ dazu wird die Infrarotenergie auf den Detektor-Array 78 als ein unfokussierter Punkt projiziert, wenn die dielektrische Scheibe sich in der out-offocus-Position befindet.
Eine konstante Vergrößerung zwischen den in-focus- und out-of-focus-Abbildungen ist durch Einfügen der dielektrischen Scheibe 20 in einem Bereich zwischen den Linsen 56a und 56b aufrecht erhalten. In diesem Bereich sind alle Hauptstrahlen parallel zu der optischen Achse 68 und werden dann durch die Dicke der dielektrischen Scheibe 20 nicht beeinflußt, was eine Abbildungsdefokussierung ohne Verschiebung der Hauptstrahlenhöhe auf dem Detektor-Array 78, der in der in-focus-Brennebene angeordnet ist, gestattet. Der Betrag an Defokussierung wird durch die Brechungsindizes und die Dicken der ersten und zweiten Abschnitte der dielektrischen Scheibe 20 bestimmt und ist hier so ausgewählt, daß der optische Unschärfedurchmesser um einen Faktor 10 ohne Veränderung in der Vergrößerung erhöht ist.
Eine hundertprozentige Kaltschirmwirksamkeit (cold shield effeiciency) wird durch das Verwenden des Detektorkaltschirms 74 als die Aperturblende und Austrittspupille des optischen Systems 50 mit der Eintrittspupille (nicht gezeigt), die vor dem optischen System 50 durch die zurückabbildende Linsenkonfiguration projiziert ist. Die feststehende Trennung zwischen dem Kaltschirm (Aperturblende) und der Detektorebene sieht ebenso eine konstante F-Zahl vor, wie sie erforderlich ist, um eine konstante Sensor-DC-Antwort zwischen den in-focus- und out-of-focus-Abbildungen sicherzustellen. Ein konstanter optischer Transmissionsgrad, wie er ebenso für eine konstante DC-Antwort erforderlich ist, kann ohne Weiteres durch Herstellen der beiden Abschnitte der drehbaren dielektrischen Scheibe 20 aus dem gleichen verlustarmen Material (Zink, Selenit oder Silizium) mit auf allen Oberflächen angewendeten identischen Antireflektionsbeschichtungen erzielt werden. Zum Beispiel minimiert ein Beschichten beider Abschnitte mit dem gleichen Material bei der gleichen Batch-Verarbeitung die Abweichungen in der Beschichtung und führt zu leicht erzielbaren Unterschieden im Transmissionsgrad von weniger als einem Prozent.
Da eine flache dielektrische Scheibe (d. h. mit keiner optischen Leistung) zum Herstellen der Brennpunktverschiebung verwendet wird, kann die dielektrische Scheibe 20 ununterbrochen mit einer konstanten Geschwindigkeit gedreht werden, wodurch der mechanische Antrieb und die Servosteuerungserfordernisse minimiert sind. Die "Totzeit", welche auftritt, wenn die optisch klare Apertur beiderseits neben der Grenze zwischen zwei Dicken (d. h., während des Übergangs von in-focus zu out-of-focus und umgekehrt) kann ohne weiteres mit dem Auslesen des Flächendetektor zusammenfallend eingestellt werden, wenn in einem bevorzugten "snapshot"-Mode gearbeitet wird, wie durch das Zeitablaufdiagramm in Fig. 2d dargestellt. (In dem "snapshot"-Mode integrieren alle Elemente in dem FPA zur gleichen Zeit und werden während des Auslesens abgeschaltet.) Auf diese Weise kann der Effekt der Totzeit entweder völlig eliminiert oder zumindest minimiert werden.
Der Detektor-Array 78, der hier 256 · 256 Elemente aufweist, aber alternativ auch eine andere Anordnung aufweisen kann, sieht eine Vielzahl von Signalen vor, wobei ein Signal mit jedem anderen der Elemente korrespondiert. Somit sieht jedes Element ein Signal vor, das den Betrag an auf dieses Element einfallender Infrarotenergie anzeigt. Es sollte betont werden, daß jedes Element mit einem Pixel (d. h. Bildelement) korrespondiert, welches dazu verwendet werden kann, um ein Bild einer Szene innerhalb des Bildfeldes des optischen Systems 50 zu erzeugen. Die Ausgangssignale des Detektor- Arrays 78 werden dem Digitalprozessor und dem Kontroller 14 zugeführt, wobei die Signale in einer in Zusammenhang mit Fig. 2c beschriebenen Art und Weise verarbeitet werden.
Da die Offset-Korrektur auf jeder anderen Framebasis aktualisiert werden kann, sollte es nun ersichtlich sein, daß ein 1/f temporäres Rauschen bei allen Frequenzen unterhalb der halben subtrahierten Framerate verringert ist und große Änderungen in der Hintergrundstrahlung untergebracht werden können.
Gemäß Fig. 5 wird im Folgenden ein Verfahren beschrieben, daß das Erfindungskonzept beinhaltet.
Es sollte offensichtlich sein, daß ein Subtrahieren einer out-of-focus-Abb. 34 von einer in-focus-Abb. 32 durch einen Subtrahierer 36 eine Bandpaßdifferenzabbildung 38 vorsieht, wie es hierin in Verbindung mit Fig. 2c beschrieben worden ist. Die resultierende Bandpaßdifferenzabbildung 38 ist dann relativ frei von FPN, wie zuvor erwähnt, aber es fehlen ihr tiefe Raumfrequenzen der Szeneninformation, welche in bestimmten Anwendungen gewünscht sein kann (z. B. für visuelle Anzeige- und Sichtsysteme). Um das letztere zu kompensieren, kann gelegentlich eine herkömmliche Einzelpunkt-Referenzabbildung 92 durch Verwenden bekannter Verfahren vorgesehen werden und mit einer in-focus-Abb. 32 durch einen Subtrahierer 34 differenziert werden. Die resultierende herkömmliche Einzelpunkt-korrigierte Abb. 95 kann durch Passieren eines lokalen Fensters (d. h., Sub-Array aus Pixel) über die Abbildung hinweg und Aufnehmen des mittleren Werts für den Wert des Pixels unter dem Mittelpunkt des Fensters ein zweidimensionales digitales Tiefpaßfilter 96 durchlaufen. Die resultierende Abbildung, hier als eine gefilterte Einzelpunkt-korrigierte Abb. 96 bezeichnet, die von dem zweidimensionalen digitalen Tiefpaßfilter vorgesehen ist, kann anschließend mit der Bandpaßdifferenzabbildung 38 in einem Addierer 98 aufsummiert werden, um eine korrigierte kompensierte Abb. 99 vorzusehen, welche anschließend weiterverarbeitet wird. Es sollte beachtet werden, daß auch durch Verwenden der Einzelpunktreferenzabbildung die Tieffrequenzfehlereigenschaften ebenso wie die Hochfrequenzfehlereigenschaften kompensiert werden können. Das heißt, bezüglich eines externen Szenedetails wird eine Auswahl der Fenstergröße des zweidimensionalen digitalen Tiefpaßfilters 96, die zu der Unschärfegröße (blur size) der out-of-focus-Abbildung paßt, zu einer Rekonstruktion des Tieffrequenzszenendetails (ausgenommen für DC) in der korrigierten Abb. 99 führen. Der Vorteil des vorliegenden Verfahrens besteht darin, daß die Anwendung eines zweidimensionalen digitalen Tiefpaßfilters 96 auf die herkömmliche Einzelpunkt-korrigierte Abb. 95 zu einer Tiefpaßfilterung des Rest- FPN zusammen mit dem externen Szenedetails führt, wodurch das FPN in der gefilterten Ausgangsabbildung 97 vor einer Addition zu der Bandpaßdifferenzabbildung 38 gedämpft und korreliert wird. Auf diese Art und Weise können die tiefe Raumfrequenzen des Szenedetails ohne Addieren von hochfrequenten (d. h. nicht korrelierten) FPN zu der korrigierten Abb. 99 rekonstruiert werden.
Wie vorhergehend bei Fig. 2c beschrieben, eine einfache Abtastwert-für-Abtastwert (d. h. Frame-für-Frame) Subtraktion einer out-of-focus-Abb. 34 von einer in-focus-Abb. 32 durch einen Subtrahierer 36, um eine Bandpaßdifferenzabbildung 38 vorzusehen, kann das FPN eliminieren. Es sollte wiederum betont werden, daß eine PN-Korrektur für jedes Detektorelement einzeln ohne ein Überqueren von Detektorgrenzen ausgeführt werden muß. Eine entsprechende Kurve einer Modulationsübertragungsfunktion (MTF) für jede Abbildung zeigt, daß zusätzlich zur Korrektur das Verfahren ebenso einen räumlichen (zweidimensionalen) Bandpaßfilter vorsieht, welcher nicht nur den DC-Offset entfernt, sondern ebenso tiefere Raumfrequenzen dämpft. Das Maß der Entfernung von tiefen Frequenzen hängt von dem Betrag der Defokussierung ab, der für die out-of-focus-Abbildung (mit dem offensichtlich degenerierten Fall mit keiner Defokussierung, was zu der Elimination aller Szeneantworten führt) ausgewählt wird.
Nach der Beschreibung dieser Erfindung, sollte es nun für einen Fachmann offensichtlich sein, daß zahlreiche Elemente des optischen Systems ohne eine Beeinflussung dieser Erfindung verändert werden können. Überdies könnte die Anzahl und Anordnung der Linsen verändert werden, um eine vorbestimmte Anordnung aufzunehmen.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines optischen Abbildungssystems, mit den Schritten:

Fokussieren eines Strahls von Infrarotenergie auf ein Array (78) von Photodetektoren und Ausbilden (32) einer scharfen Abbildung, die ein Array aus Pixeln aufweist, wobei jedes Pixel durch ein digitales Wort dargestellt wird;

Defokussieren des Strahls von Infrarotenergie auf das Array (78) von Photodetektoren und Ausbilden (34) einer unscharfen Abbildung, die ein Array aus Pixeln aufweist, wobei jedes Pixel durch ein digitales Wort dargestellt wird; und

Differenzieren (36) des digitalen Worts jedes Pixels des unscharfen Abbildung mit dem digitalen Wort eines entsprechenden Pixels des scharfen Abbildung, um eine Differenzabbildung vorzusehen, das ein Array aus Pixeln aufweist, wobei jedes durch ein digitales Wort dargestelles Pixel ein begrenztes Bildfeld des optischen Systems angibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Defokussieren periodisch ausgeführt wird, und weiterhin gekennzeichnet durch die Schritte:

Vorsehen (92) einer Einpunktreferenzabbildung, die ein Array aus Pixeln aufweist, wobei jedes Pixel durch ein digitales Wort dargestellt wird;

Differenzieren (94) des digitalen Worts jedes Pixels der Einpunktreferenzabbildung mit dem digitalen Wort eines entsprechenden Pixels der scharfen Abbildung und Weiterleiten der Resultante (95) davon durch ein digitales Tiefpaßfilter (96), um eine gefilterte Abbildung (97) vorzusehen, die ein Array aus Pixeln aufweist, wobei jedes Pixel durch ein digitales Wort dargestellt wird; und

Summieren (98) des digitalen Worts jedes Pixels der Differenzabbildung mit dem digitalen Wort eines entsprechenden Pixels des gefilterten Abbildung, um eine korrigierte Abbildung vorzusehen.

2. Optisches Abbildungssystem, das

eine Vorrichtung (53, 57) zum Fokussieren eines Strahls von Infrarotenergie auf ein Array (78) von Photodetektoren und Ausbilden einer scharfen Abbildung, die ein Array aus Pixeln aufweist, wobei jedes Pixel durch ein digitales Wort dargestellt wird, und zum Defokussieren des Strahls von Infrarotenergie auf das Array (78) von Photodetektoren und Ausbilden einer unscharfen Abbildung, die ein Array aus Pixeln aufweist, wobei jedes Pixel durch ein digitales Wort dargestellt wird; und

eine Vorrichtung (14) zum Differenzieren des digitalen Worts jedes Pixels der unscharfen Abbildung mit dem digitalen Wort eines entsprechenden Pixels der scharfen Abbildung, um eine Differenzabbildung vorzusehen, die ein Array aus Pixeln aufweist, wobei jedes durch ein digitales Wort dargestelle Pixel ein begrenztes Bildfeld des optischen Systems angibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussier- und Defokussiervorrichtung (53, 57) derart aufgebaut sind, daß das Defokussieren periodisch ausgeführt wird, und das System weiterhin gekennzeichnet wird durch eine Vorrichtung (14) zum Vorsehen einer Einpunktreferenzabbildung, die ein Array aus Pixeln aufweist, wobei jedes Pixel durch ein digitales Wort dargestellt wird;

eine Vorrichtung (14) zum Differenzieren des digitalen Worts jedes Pixels der Einpunktreferenzabbildung mit dem digitalen Wort eines entsprechenden Pixels der scharfen Abbildung und Weiterleiten der Resultante davon durch ein digitales Tiefpaßfilter, um eine gefilterte Abbildung vorzusehen, die ein Array aus Pixeln aufweist,

wobei jedes Pixel durch ein digitales Wort dargestellt wird; und eine Vorrichtung (14) zum Summieren des digitalen Worts jedes Pixels der Differenzabbildung mit dem digitalen Wort eines entsprechenden Pixels der gefilterten Abbildung, um eine korrigierte Abbildung vorzusehen.

3. Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussier- und Defokussiervorrichtung (53, 57) eine dielektrische Scheibe (20), die eine Mitte und einen ersten Abschnitt (20a) mit einer ersten Dicke und einen zweiten Abschnitt (20b) mit einer zweiten unterschiedlichen Dicke aufweist, wobei die dielektrische Scheibe (20) mit ihrer Mitte außerhalb des Strahls (24) von elektromagnetischer Energie angeordnet ist, und eine Vorrichtung (82) zum Drehen der dielektrischen Scheibe (20) um ihre Mitte, so daß periodisch der erste Abschnitt (20a) der sich drehenden dielektrischen Scheibe (20) in dem Strahl (24) von elektromagnetischer Energie angeordnet ist und abwechselnd der zweite Abschnitt (20b) der sich drehenden dielektrischen Scheibe (20) in dem Strahl (24) von elektromagnetischer Energie angeordnet ist, enthält.

4. Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich drehende Scheibe (20) aus Silizium hergestellt ist.

5. Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des ersten Abschnitts (20a) der sich drehenden dielektrischen Scheibe ungefähr 0,076 cm (0,030 inches) und die Dicke des zweiten Teils (20b) der sich drehenden dielektrischen Scheibe ungefähr 0,381 cm (0,150 inches) beträgt.

6. Optisches Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussier- und Defokussiervorrichtung eine in dem Strahl von elektromagnetischer Energie angeordnete vordere Optikanordung (53) enthält, die eine erste Siliziumlinse (52) und eine erste Germaniumlinse (54) aufweist, wobei die erste Siliziumlinse (52) zu der ersten Germaniumlinse (54) juxtapositionell angeordnet ist; und

eine hintere Optikanordung (57) aufweist:

eine zweite Siliziumlinse (56a) und eine dritte Siliziumlinse (56b), die juxtapositionell zu der sich drehenden dielektrischen Scheibe (20) angeordnet sind;

ein Paar von Strahlumlenkspiegel (59a, 59b), die in dem Strahl von elektromagnetischer Energie angeordnet sind, um die Richtung des Strahls von elektromagnetischer Energie umzukehren; und

eine vierte Siliziumlinse (58) und eine zweite Germaniumlinse (60), wobei die vierte Siliziumlinse (58) zu der zweiten Germaniumlinse (60) juxtapositionell angeordnet ist, wobei die vierte Siliziumlinse (58) und die zweite Germaniumlinse (60) in dem Strahl von elektromagnetischer Energie angeordnet sind.