CN1104626C - 勘探用的光学系统 - Google Patents

Abstract

用于从较大的高度观察地面的勘探用的光学系统，它具有许多其光轴近似地平行取向的单个望远镜，在这些望远镜的焦面中各自有一检测阵列，其中，单个望远镜要能如此调节，以使在观察地面时，在任一单个望远镜的检测阵列的任一检测元上成像的地面元至少在另一个单个望远镜的检测阵列上沿位于焦面内的方向偏移一检测元的宽度的一部分而成象。

Description

勘探用的光学系统

技术领域

本发明涉及一具有多个单个的望远镜的用于观察的光学系统，这些望远镜在其焦面中各自有一检测阵列。

背景技术

已经从US4713533公开了一个这种光学系统。

从K.Stah1与G.Miosga的著作《远红外技术》(Infrarottechnik)第2版(Heidelberg，Huthig，1986)的222～233页知道有一种远距离勘探卫星，在其用于获取图象的光机械行扫描器中，同时在不同的光谱通道中象素叠合地(pixeldeckend)产生图象。

从US5581399已知一种具有图象传感器的双筒望远镜。这种图象传感器的一种是CCD传感器。

从DE3731844A1知道有一种用两个以上的望远镜对地平面进行扫描的装置。从DE-AS1203010已知有用多个望远镜结构的彼此倾斜的物镜。

在另一用于地面光学观察的传统系统中，就涉及在单个的光谱通道中的观察而言，只采用单个的在其焦面内具有一个检测阵列的望远镜。为了提高工作能力即地面分辨率，在高度与检测元的尺寸不变的条件下，需要采用具有尽可能大的焦距同时具有尽可能大的口径的望远镜。

已经知道，焦距是与超过地面的高度以及分辨率线性地相关的。因此，两倍的分辨率必定要有两倍的焦距，因而在同样的望远镜构造时要有两倍的结构长度。口径是通过衍射(Beugung)线性地与分辨率有关的。因此，在较高的分辨率时还必须加大望远镜的入口口径。

此外，在信号噪声比给定时，作为镜片(组)的焦面的入口口径是与反射的地表面元的大小有关的：当地表面元的面积减半时，则在信号噪声比不变以及照射时间不变时，入口口径的面积加倍。此外，在卫星处于低的运行轨道上时，由于相对移动约为7km/s，可用的在地面上的照射时间通常与地表面元沿飞行方面的直线尺寸成正比；地表面元在飞行方向的一半长度意味着照射时间为一半。因此，当地表面元的直线尺寸减半时，则在信号噪声比不变时，口径面积要加倍。

口径还随着望远镜的分辨率的提高以及焦距的加大而加大。这样就加大了望远镜的体积和质量并相应地提高了成本。

发明内容

因此，本发明的目的在于，进一步如此形成这种光学系统，使之能在可比较的性能数据时提供一紧凑的因而是价廉的构造并且适合于作为从较大的高度观察地面的勘探系统。

为实现上述目的，本发明提供一种用于从较大高度观察地面的光学勘探系统，所述光学系统包括：各自的焦面设在一个公共焦面内的多个望远镜，设置在所述公共焦面中的各个望远镜的一个检测阵列，所述这些望远镜彼此相邻地设置，以得到在望远镜的检测阵列中所成的一个地面区段的图象，检测阵列中的所述区段的图象在所述阵列中被相对地偏移，所述望远镜设置成至少一排，其特征在于：所述区段的图象的偏移是检测阵列的一个检测元宽度尺寸的一部分，并且与处在所述至少一排中的检测阵列的数目成反比。

优选地，所述这些望远镜的光轴相互平行。

优选地，所述这些望远镜设置成多排，并且所述图象在每一排中和相邻排中都相互偏移。

优选地，望远镜的所述这些排形成所述检测阵列的列，所述这些排和列相互垂直。

优选地，所述这些望远镜的光轴相互之间微小地相对倾斜。

优选地，在所述至少一排中的这些望远镜在所述至少一排中沿着相同方向按递增的量倾斜。

优选地，所述这些望远镜布置成多排，并且这些望远镜相互之间一排接一排地相对倾斜。

优选地，所述检测阵列按相互垂直的排和列的方式构成。

本发明用于例如从一相对于地球固定的卫星或一低飞行卫星或从一高飞行飞机上进行观察。

于是，按照本发明，用多个单个的望远镜代替一单个的望远镜，这些望远镜就其焦距，口径以及由之引起的单独的分辨率而言，用较低的要求就可以满足。这些单个的望远镜就其光轴而言几乎都是平行地取向的，它们在其焦面内按传统的方式总是有一检测阵列。但是，单个的望远镜必须能如此调节，以使在地面观察时，在任一单个望远镜的检测阵列的任一检测元上成象的地表面元至少在另一个单个望远镜的检测阵列上偏移地成象，也就是说沿位于焦面内的方向偏移检测元的宽度的一部分。

通过地表面元在检测元宽度的一部分的偏移的加大，就可以从所有的单个望远镜的检测元得到各自的差别很小的总信息。借助单个的望远镜分别得到的图象各自有不同的信息量，虽然基本上观察同样的地面区段。地表面元在单个望远镜的焦面中的偏移可以有时如此进行，即单个望远镜以其光轴各自略微彼此倾斜，或也可以如此进行，即不必如此倾斜，而是使检测阵列本身在各自的焦面内相对于各自的光轴按递增的量彼此偏移。在第一种情况，在焦面中也可不存在检测阵列的偏移，使所提到的调节通过光轴的倾斜完成，而在第二种情况，则是光轴彼此平行地取向。

在原则上，不管是单个望远镜在阵列的意义上按列和行布置，还是按照六方点阵的意义进行其布置，或是甚至不按任何有规则的编排布置，都是不重要的。重要的只是，在所有的单个望远镜的总体中至少可以规定一个组，该组的单个望远镜要如此调节或相对于检测阵列的布置如此形成，以使它在功能上能沿在焦面中所处的方向具有递增的地表面元的偏移的排列顺序。相对于这个方向，就可以借助计算方法得到比从单个望远镜的图象得到的为高的分辨率。如果例如使N个单个的望远镜按所述方式成一排列顺序，则最好如此采取其检测阵列的取向或布置，以使地表面元的偏移能以检测元的宽度的刚好1/N的部分的以一个望远镜到在排列顺序中的最近的望远镜进行。

提高在焦面内的第二方向例如与已经提到的第一方向正交的方向的分辨率可以如下达到，即再次规定至少一个其它的单个望远镜组，该望远镜组在功能上如此成为一个排列顺序，以使所提到的地表面元在排列序顺序中的偏移按递增的方式在此第二方向进行。

由此可用传统的方式在两个彼此正交的方向这样提供特别的带更高的分辨率的布置，即将单个望远镜按有规则的间隔彼此按列和行布置形成阵列。于是成象的地表面元的递增的偏移有时在列的方向进行，有时与此成正交，在行的方向进行。此时，行数可以与列数不同。各自的偏移检测元宽度的一部分且与方向有关，它分别是存在于各自的行或列中的望远镜数目的倒数值。此数目越大，则各自的偏移的大小越小，所得到的分辨率越高。

这可以在用一个相当大的速度飞过地面的仪器载体(卫星或飞机)中进行考虑，即在一个这种望远镜阵列中在例如沿飞行方向延伸的列方向比在与之垂直取向的行方向设置更多的望远镜。在一个相对于地球固定的卫星中，则与之相反，推荐采用一个在行的方向与列的方向含有各自相等的许多单个望远镜的望远镜阵列。

本发明的最简单的在两个彼此正交的方向工作的结构为一个4×4个单个望远镜的阵列。一个这种阵列可例如在每个单个望远镜的口径直径为30cm时代替一个具有1m口径直径的较大的望远镜。这些单个的望远镜在一正方形地表面元的要求的边长为50cm时只需要提供一个为减小四分之三的分辨率也就是为了2m的边长的地表面元而确定其大小的焦距。

采用小口径的小望远镜，还可以得到小得多的结构尺寸。它不需要采用大镜面的望远镜，而是具有小得多的分辨率的传统的望远镜就已经足够。检测阵列的积分时间(Integrationszeiten)在所述简单的实施例中延长了4倍。采用传统的检测阵列必然有良好的信号噪声比。

提高的分辨率或是在飞机或卫星的舱内或是在传到一地面站之后用准干涉测量的光阑分析(Apertursynthese)由计算机计算而得到。此时，单个望远镜的图象信息的重叠是用计算方法不相干地得到的。这与傅利叶(Fourier)光图象重建法(Bildrekonstruktionsverfahren)是相反的，在该重建法中，单个望远镜的光学的射线路程必须在焦面内同相和同幅地重叠。

如同已经提到的那样，每个望远镜基本上考虑同样的地区或地面区段。但是，由于所述的偏移，该地面区段将由每个望远镜的各自的检测阵列的单个的检测元不同地进行扫描。

通过合适地选择检测元的大小和间距以及望远镜的口径大小，可以保证一直到所要求的本振频率(Ortsfrequenz)都能得到不同的信息量。没有这种单个图象的信息量的差别，就不可能做到提高分辨率，而是只能通过单个图象的不相干重叠改善信号噪声比。为了将望远镜的单个图象的不同信息转变成总信息，必须相应于其几何偏差将部分图象按计算方法重叠。

为了在技术上实现本发明，最重要的并不是望远镜如何制造，折射还是反射；是否采用N×N望远镜阵列，它在将焦面装以矩阵检测阵列时同时摄取一完整的图象；是否采用一维布置的望远镜例如四个垂直于飞行方向的望远镜，它们可以通过相对移动得到一瞬时的一个跟着一个的图象合成；是否采用矩阵形或线性的检测阵列或是在一个望远镜的焦面内设置两个以上的具有垂直于飞行方向的相应的几何偏差的线性检测阵列。在后一种情况，单个的图象将瞬时依次地相应于线性检测阵列沿飞行方向的偏移按推入一自动搜索干扰模式(push-Broom-Modus)绘出，而这将造成稳定结构的费用的提高。

附图说明

下面将参考附图较详细地说明本发明的实施例。图中示意地示出：

图1示出了4×4的单个望远镜阵列，

图2示出了在图1的单个望远镜的各自的焦面中的有关的检测阵列。

实施例说明

图1示出了本发明的勘探用光学系统，它基本上通过4×4个具有其各自所属的检测元11、12等的单个望远镜T11至T44形成正方形布置，该检测元同望远镜一样同样布置在一由彼此成直角地走向的行和列组成的阵列中。所属的光轴011、012等在各单个望远镜和所属的检测阵列之间同样示意地示出。

图2示出了位于单个望远镜T11等的焦面内的检测阵列41等，它是从这些单个望远镜看去的。图中同样示出了光轴011等在各自的检测阵列上的聚焦点。它们位于行Z1至Z4和列S1至S4的正交网的交点上，该网表征了望远镜阵列的结构性布置。在某一个检测阵列例如在检测阵列41中，表示了将检测面积割为8×8个单个的检测元。这些检测元为正方形，各自有宽度d，在检测阵列41的情况下，光轴011的聚焦点正好位于中间，因而至被检测元覆盖的检测阵列41的面积的边缘有一4d的距离。此包围检测阵列41的中心的用阴影线画出的区域用两维表示总共四个成像的地表面元，该地表面元在地面上的尺寸在计入望远镜焦距以及超过地面的飞行高度时可由各自的检测元的大小确定。

从检测阵列41开始，可沿行Z4至检测元44的方向看到检测阵列相对于各自的光轴的移动或偏移，也就是分别移动检测元宽度d的1/4。沿列S1至检测元11的方向也存在相应的偏移。沿列的方向和行的方向的递增的偏移也可以根据行Z2以及列S3详细地示出。它表明，四个各自绕光轴周围成像的，在检测阵列41中与四个中间的检测元一致的地表面元通过偏移递增地分割为多于四个的检测元，也就是沿行的方向与列的方向从检测元11开始，首先分割为六个彼此相邻的检测元，而且甚至从行Z3和列S2至较小的行数或较大的列数总共各自分割为九个检测元。此时，从以检测阵列41为例的定义出发，各自的成像的地表面元的精确的按面积的分割在每个单个的检测阵列中按不同的方式在所参与的检测元中进行。在检测阵列41中，每个单独的作为例子成像的以光轴041为中心的四个地表面元将同样在列S1或行Z4的各自三个其余的检测阵列中在每两个相邻的检测元中成像，而且具有各自不同的面积部分。在其余九个检测阵列中，每四个这种地表面元在每四个检测元的参与下同样成像不同的面积部分。

Claims (8)

1.一种用于从较大高度观察地面的光学勘探系统，所述光学系统包括：

各自的焦面设在一个公共焦面内的多个望远镜，

设置在所述公共焦面中的各个望远镜的一个检测阵列，

所述这些望远镜彼此相邻地设置，以得到在望远镜的检测阵列中所成的一个地面区段的图象，检测阵列中的所述区段的图象在所述阵列中被相对地偏移，所述望远镜设置成至少一排，

其特征在于：所述区段的图象的偏移是检测阵列的一个检测元宽度尺寸的一部分，并且与处在所述至少一排中的检测阵列的数目成反比。

2.按权利要求1的系统，其特征在于：所述这些望远镜的光轴相互平行。

3.按权利要求1的系统，其特征在于：所述这些望远镜设置成多排，并且所述图象在每一排中和相邻排中都相互偏移。

4.按权利要求3的系统，其特征在于：望远镜的所述这些排形成所述检测阵列的列，所述这些排和列相互垂直。

5.按权利要求1的系统，其特征在于：所述这些望远镜的光轴相互之间微小地相对倾斜。

6.按权利要求5的系统，其特征在于：在所述至少一排中的这些望远镜在所述至少一排中沿着相同方向按递增的量倾斜。

7.按权利要求6的系统，其特征在于：所述这些望远镜布置成多排，并且这些望远镜相互之间一排接一排地相对倾斜。

8.按权利要求7的系统，其特征在于：所述检测阵列按相互垂直的排和列的方式构成。

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