DD281456A5 - Verfahren zur aktiven korrektur der bewegungsbedingten verzerrungen bei scanneraufnahmen, die von flugzeugen, satelliten oder anderen luft- oder raumfahrzeugen aus gewonnen werden - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur aktiven Korrektur der bewegungsbedingten Verzerrungen bei Scanneraufnahmen, die von Flugzeugen, Satelliten oder anderen Luft- oder Raumfahrzeugen aus gewonnen werden. Das erfindungsgemaesze Verfahren ist zur Korrektur der von unerwuenschten angularen periodischen und aperiodischen Bewegungen des Luft- oder Raumfahrzeuges hervorgerufenen Verzerrungen des Bildinhaltes einer Scanneraufnahme im Echtzeitregime geeignet. Durch die vorgeschlagene Loesung wird zu jedem Aufnahmezeitpunkt gesichert, dasz die der Sollfluglage entsprechenden Bildinhalte im Erfassungs- und Auswertebereich des optoelektronischen Systems liegen. Gleichzeitig wird eine hohe geometrische Genauigkeit und Detailerkennbarkeit gewaehrleistet. Erfindungsgemaesz wird als Aufnahmesensor eines Push-broom-Zeilen-Scanners eine optoelektronische Detektormatrix verwendet, aus der Gesamtheit der Pixel der Matrix ein oder mehrere Abtastfenster festgelegt und unter Nutzung der in bekannter Weise gewonnenen Flugbewegungs- und Fluglagesignale eine synthetische Sollscanzeile, die der Sollfluglage entspricht, bestimmt. Weiterhin wird die UEbereinstimmung des Laengs- und Quermaszstabes der Scanneraufnahme durch eine Verringerung oder Erhoehung des Auslesetaktes der synthetischen Sollscanzeilen entsprechend dem in bekannter Weise gewonnenen Meszwert des Quotienten aus der Fluggeschwindigkeit zur Flughoehe ueber Grund (vg/hg) erreicht.{Zeilenscanner; Luftbildaufnahme; Bildinhalt; Bewegungskorrektur; Echtzeitregime; Matrixsensor; Sollschwadstreifen; synthetische Sollscanzeile}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Korrektur der von unerwünschten angularen periodischen oder apariooischon Bewegungen de? Luft- oder Raumfahrzeuges hervorgerufeinen Verzerrungen des Bildinhaltes einer Scanneraufnahme geeignet. Durch die erfinoungsgemäße Lösuny wird die Wiederherstellung der tatsächlichen Geometrie der Luftaufnahme gewährleistet.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bekannt, daß beim Einsatz von Scannern zur Luftbildaufnahme durch die unerwünschten Bewegungen des jeweiligen Trägers, z.U. eines Flugzeuges, eine Verzerrung der Geometrie der Aufnahme- bzw. der Bilddaten erfolgt. Verantwortlich für diese Verzerrungen sind die angularen periodischen und aperiodischen Bewegungen des Luft- oder Raumfahrzeuges. Zur Lösung dieses Problems wurde vorgeschlagen, die jeweiligen Luftfahrzeuge mit einer Autopilot- und Flugregelanlage auszurüsten. Praktische Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß die verbleibenden Winkelgeschwindigkeitswerte als Maß für die angularen Schwingungen nur auf etwa Va bis V* des Wertes mit Handsteuerung gesenkt werden können. Aus diesem Grunde wurden unter Berücksichtigung der hohen Anforderungen an Scanneraufnahmen weitere Maßnahmen notwendig. So ist es bekannt, lagestabilisierte Plattformen z. B. mit kardanischer Aufhängung zwischen Luftfahrzeug und optoelektronischem Aufnahmesystem anzuordnen. Derartige Einrichtungen besitzen jedoch einen komplizierten mechanischen Aufbau und eine große Masse.

Diese Nachteile sowie die unvollkommene dynamische Stabilisierung der angularen Schwingungen um alle drei Hauptachsen führten zu Lösungen, die Fluglage- und Fiugzeugbewegungsdaten auf elektronischem Wege gewinnen und im Echtzeitbetrieb die Verzerrungen der Scanneraufnahme korrigieren.

Gemäß DE-OS 2 322379 ist es bekannt, die Rollbewegungskomponente des Luftfahrzeuges z. B. mittels Gyrometer zu bestimmen und durch eine Parallelverschiebung der Bildzeilen, die über ein Spiegelsystem erfolgen kann, eine Korrektur der durch die Rollbewegung hervorgerufenen Bildverzerrungen durchzuführen. Eine Übertranung dieses Prinzips auf eine Korrektur in allen drei Hauptachsen, d.h. einschließlich Nick- und Gierbewegungskorrektur, ist bedingt durch die Trägheit des Lösungssystems, nicht möglich.

Bei dem Verfahren zur Korrektur eines Videosignals nach DE-OS 3334147 werden aus vorausgesetzten Flugzeugausrüstungen die Lage und Bewegungssignale zur Echtzeitentzerrung in Registern und Bildrahmenspeichern benutzt, wobei nur jedes n-te Pixel einer Zeile und jede m-te Zeile des Bildrahmenspeichers zur Aufzeichnung herangezogen werden. In diesem Falle geht die Auflösung der Gesamtanordnung um die Größen m bzw. η zurück.

Weiterhin kann mit einem derartigen Verfahren die durch die Nickbevvegung des Luftfahrzeuges verursachte, nicht an der adäquaten Stelle des Bodens aufgenommene Scanzeile zwar durch einfache Registerverschiebung in die richtige Bildposition überführt werden, jedoch bleibt der hierfür falsche Pixel· bzw. Zeilaninhalt bestehen.

Aus der DE-OS 3544863 ist ein Verfahren zur Bewegungskorrektur digitaler Bilder bekannt, welches einzelne Bildzeileninhalte zwischenspeichert und die Unterschi ade der Bildinhalte aufeinanderfolgender Zeilen analysiert. Hierbei wird eine Entscheidung über die Zuordnung der Bildinhalte aufeinanderfolgender Bildzeilen nach den geringsten Differenzen get ro ff 6.·: und ein Abtastregime für die nachfolgende Bildzeilenauswahl und deren Darstellung auf einem Sichtgerät, z. B. einer Katodenstrahlröhre, festgelegt. Forderung bei einem derartigen Verfahren ist das tatsächliche Vorhandensein einer großen Anzahl definierter Bildpunkte auf der Bildvorlage, z. B. einer geraden Straße. Diese Forderung korreliert mit der Abtast- bzw. der Fluggeschwindigkeit des Trägers der Luftbildaufnahmevorrichtung. Diese Bedingungen schränken die möglichen Einsatzgebiete stark ein. Weiterer Nachteil des beschriebenen Verfahrens ist die nicht vorhandene Möglichkeit, die Auswirkungen von Nickbewegungen des Luftfahrzeuges auf die Scanneraufnahme zu korrigieren. Zusammenfassend können weder mit den bisher bekannten mechanisch wirkenden Dämpfungsanordnungen oder dynamisch

Möglichkeiten befriedigende bewegungsentzerrte Scanneraufnahmen gewonnen werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur aktiven Korrektur der bewegungsbedingten Verzerrungen bei Scanneraufnahmen, die von Luft- oder Raumfahrzeugen aus gewonnen werden, wobei diese Korrektur an Bord im Echtzeitregime ohne eine Verringerung der Dotailauflösung des Scanners erfolgen soll.

Darlegung (.es Wesens der Erfindung

Die Aufgabe dor Erfindung besteht darin, ein aktives Korrekturverfahren anzugeben, welches Scanneraufnahmen hoher geometrischer Genauigkeit und Detailerkennbarkeit gewährleistet, wobei ein Regime zu finden ist, das zu jedem Aufnahmezeitpunkt sichert, daß die der Sollfluglage entsprechender. Bildinhalte im Erfassungs- und Auswertebereich des optoelektronischen Systems liegen

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen

- als Aufnahmesensor eines Push· broom-Zeüen-Scanners eine optoelektronische Detektormatrix zu verwenden,

- aus der Gesamtzahl der Pixel des Aufnahmesensors ein oder mehrere Abtastfenster festzulegen, wobei die Abtastfenster so auszubilden sind, daß die vollständige Erfassung des Sollschwadstreifens auf der Erde, unabhängig vom angularen Bewegungsbereich gegoben ist, wobei dies durch eine Erweiterung des Aufnahmewinkels längs und quer zur Luftfahrzeuglängsachse um den angularen Bewegungsbereich erfolgt,

- aus der Gesamtzahl der Pixel des jeweiligen Abtastfensters unter Inanspruchnahme der Flugbewegungssin,nale, d. h. der Rollwinkelgeschwindigkeit, der Nickwinkelgeschwindigkeit und der Gierwinkelgeschwindigkeit sowie der Fluglagesignale, d. h. der Querneigung, der Längsneigung und dem Vorhaltewinkel, wobei diese Werte in bekannter Weise bereitgestellt werden, die Pixel einer Zeile zu bestimmen, die in ihrer Gesamtheit der Sollfluglage entspricht und die derart gewonnene synthetische Sollscanzeile symmetrisch zum Nadir, senkrecht zur horizontalen Ebene und senkrecht zur wahren Flugrichtung liegt,

- bzw. daß aus der Gesamtzahl der Pixel mindestens zweier Abtastfenster bei Aufnahmen zur Stereokartierung oder Multispektralaufnahmen unter Inr.^spruchnah./.e der Flugbewegungs- und Fluglagesignale, die Pixel mindestens einer synthetischen Sollscanzeile je Abtastfenster bestimmt werden, die der Sollfluglage entsprechen und die derart gewonnenen synthetischen Sollscanzeilen symmetrisch zum Nadir und senkrecht zur wahren Flugrichtung liegen,

- und durch eine Verringerung oder Erhöhung des Auslesetaktes der synthetischen Sollscanzeilen entsprechend dem in bekannter Weise gewonnenen Meßwert des Quotienten aus der Fluggeschwindigkeit zur Flughöhe über Grund v_g/h_e eine Übereinstimmung zwischen Längs- und Quermaßstab der Scanneraufnahme realisiert wird.

Durch die Festlegung der Matrixgröße und der Abbildungsoptik des Scanners entsprechend dem Wesen der Erfindung, d.h. unter Beachtung der maximal auftretenden unerwünschten Bewegungen bzw. des angularen Bewegungsbereiches, wird eine vollständige Erfassung des Sollschwad:.treifens gewährleistet. Durch diese Maßnahme gehen keine für die Auswertung notwendigen Bildinhalte verloren. Mittels der Möglichkeit, aus der Gesamtheit der in den Pixeln des Matrixaufnahmesensors gespeicherten Informationen unter Berücksichtigung der von an sich bekannten Flugbewegungs- und Fluglagesignalsansoren bereitgestellten Informationen, die Koordinaten für die eine Sollscanzeile bildenden Pixel zu bestimmen, die der Sollfluglage entsprechen, ist ohne Auflösungsverlust eine Bewegungskorrektur realisierbar. Es kann in diesem Zusammenhang von einer quasi elektronischen Korrekturbewegung einer Zeile auf bzw. aus der Gesamtheit der Zeilen bzw. der Pixel des Matrixaufnahmesensors gesprochen werden. Bei genügend großer Zeilenzahl des Matrixsensors besteht die Möglichkeit des Auslesens mehrerer Sollscanzeilen aus je einem Abtastfenster.

Werden hierbei in bekannter Weise je Abtastfenster definierte Spektralauszüge der einfallenden Strahlung realisiert, dann können echtzeitkorrigierte Multispektralaufnahmen gewonnen werden.

Ebenfalls können gleiche zeilenweise Abbildungen der Erdoberfläche am Anfang und am Ende der Matrix, jeweils bezogen auf die Flugrichtung, unü zeitlich nacheinander, erfolgen. Diese werden dann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren synchron bewegungsentzerrt. Durch fortlaufende Abtastung dieser Bildinhalte entstehen jeweils identische, >edoch unter verschiedenen Blickwinkeln aufgenommene Abbildungen der Erdoberfläche mit zentralperspektivischem Zusammenhang. Durch die Auswertung korrespondierender Bildpunkte ist eine Anwendung der so gewonnenen und verarbeiteten Daten zur Stereokartierung möglich.

Ausführungsbelsplel

Die Erfindung soll anhand eines Beispieles und einer Figur näher erläutert werden.

Figur 1 zeigt die Lage zweier synthetischer Sollzeilen duf der Detektormatrix.

Zur Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung kann entweder eine optoelektronische Detektormatrix (CCD-Matrix, TIR-Matrix u.a. je nach aufzunehmendem Spektralbereich) mit wahlfreiem Zugriff zu den Detektorelementen (CID) herangezogen werden oder der ganze Bildinhalt der Detektormatrix wird während jedes Scanzeilentaktes in ein Register geladen und dort in der vorgeschlagenen Weise die jeweilige Sollscanzeile ausgelesen.

Die Koordinaten der Detektorelement- bzw. Registerplätze der jeweiligen Sollscanzeilen werden synthetisch in einem Koordinatenrechner aus den eingehenden angularen Lagesignalen so bestimmt, daß sie der Sollposition innerhalb des Sollschwadstreifens am Boden entsprechen. Als quasistatische (langsam veränderliche) Lagesignale werden ω,,,, für die Querneigung, v>_sUl für die Längsneigung und K_stlt für den Vorhalte- bzw. Abdriftwinkel herangezogen. Die dynamischen (schnell veränderlichen) Lagesignale co_dyn,v?_dyn und K_dyn werden aus der zeitlichen Integration der Winkelgeschwindigkeitssignale der RcII-, Nick- und Gierbewegung gewonnen, während c*eo Verhältnis der Vorwärtsgeschwindigkeit zur Flughöhe über Grund (Vg/hj) auf optoelektronischem Wege gemessen wird. Letzteres v_g/h_g-Signal steuert zunächst den Aufnahmezeilentakt so, daß eine Übereinstimmung der Bildmaßstäbe längs und quer zur Flugrichtung erzielt wird.

In Fig. 1 ist die Lage zweier synthetischer Sollscanzeilen 5 und 6 innerhalb einer Detektormatrix 1 willkürlich eingezeichnet. Die Zeile 5 stellt die Verbindungslinie der Detektorelemente derjenigen synthetisch bestimmten momentanen Sollscanzeile dar, bei der die Scanstrahlebene (die quer zur Flugrichtung x' verläuft) senkrecht auf den Boden gerichtet ist, was der Konfiguration bei einkanaligem Scanner entspricht. Für die mehrkanalige Anwendung ist als Beispiel zusätzlich die zeitlich zu 5 korrespondierende Sollscanzeile 6 bei vorausblickender Scanstrahlebene eingezeichnet. Die Zeilen 5 und 6 und ggf. weitere (z. B. rückblickende) können dann zu getrennten Bildstreifen zusammengefügt und für eine stereoskopische Auswertung, oder z. B. bei Vorschaltung entsprechender chromatischer Bandpaßfilter vor jedes Abtastfenster (ABCD, EFuH und evtl. weitere) für multispektrale Anwendungen herangezogen werden.

Die als Zwischenwerte im Koordinatonrechner bestimmten momentanen Gesamtlagewinkel ω, φ und κ des Luftfahrzeuges bzw. des Aufnahmesystems, die Lageparameter κ, x^ und γ_ω der der Sollfluglage entsprechenden synthetischen, momentanen Sollsc£nzei!en und die Bewogungsbereiche 2,3,4 und 10 sind zur Veranschaulichung in Figur 1 dargestellt.

Der φ- und K-Bewegungsbereich der Sollscanzeile 5 ist mit 2 und der φ- und K-Bewegungsbereich der Sollscanzeile 6 mit 3 bezeichnet. Der positive ω-Bewegungsbereich aller Scanzeilen ist durch 4 und flor negative ω-Bewegungsbereich durch 10 dargestellt.

In Figur 1 ist weiterhin die wahre Flugrichtung über Grund mit x', die Flugzeuglängsachse mit x, die Flugzeugquerachse mit y, die x-Verschiebung dar synthetischen, momentanen Sollscanzeilen 5 und 6 infolge der Längsneigung bzw. Nickbewegung mit x, und die y-Verschiebung der Sollscanzeilen 5 und 6 infolgo der Querneigung bzw. Rollbewegung mit y_u gekennzeichnet.

Zusammengefaßt werden innerhalb eines Zeilentaktes folgende Operationen ausgeführt.

- v_g/hg ermitteln und Längsmoßstabskorrektur errechnen

- Zeilentaktfrequenz nach der Abweichung vom Sollwert des v_g/h_e-Verhältnisses bis zur Übereinstimmung des Längs- mit dem Quermaßstab steuern

- Quasistatische und dynamische Werte von ω, φ und κ ermitteln

- Koordinaten derjenigen Detektotelemente bzw. Bildpixel der Aufnahme- bzw. Registermatrix errechnen, die der Sollposition der Objektpixel am Boden entsprechen

- Matrixelemente der errechneten (synthetischen) momentanen Sollscanzeile auslesen und in einen Bildspeicher laden und zur weiterei' "Erarbeitung bereithalten.

Claims (1)

1. Verfahren zur aktiven Korrektur der bewogungsbedingten Verzerrungen bei Scanneraufnahmen, die von Flugzeugen, Satelliten oder anderen Luft- oder Raumfahrzeugen aus gewonnen werden, gekenn* lehnet dadurch, daß

   - als Aumahmesensor eines Push-broom-Zeilen-Scanners eine optoelektronische Detektormatrix verwendet wird,

   - a js der Gesamtzahl der Pixel des Aufnahmesensors ein oder mehrere Abtastfenster festgelegt v, ji den, wobei die Abtastfenster so auszubilden sind, daß die vollständige Erfassung des Sollschwadstreifens auf der Erde unabhängig vom angularen Bewegungsbereich gegeben ist, wobei dies durch eine Erweiterung des Aufnahmewinkels längs und quer zur Luftfahrzeuglängsachse um den angularen Bewegungsbereich erfolgt,

   - aus der Gesamtzahl der Pixel des jeweiligen Abtastfensters unter Inanspruchnahme der Flugbewegungssignale, d.h. der Rollwinkelgeschwindigkeit, der Nickwinkelgeschwindigkeit und der Gierwinkelgeschwindigkeit sowie der Fluglagesignale, d.h. der Querneigung, der Längsneigung und dem Vorhaltewinkel, wobei diese Werte in bekannter Weise bereitgestellt werden, die Pixel einer Zeile bestimmt werden, die in ihrer Gesamtheit der Sollfluplage entspricht, und die derart gewonnene synthetisch? Sollscanzeile symmetrisch zum Nadir, senkrecht zur hü.'izontalen Ebene und senkrecht zur wahren Flugrichtung liegt,

   - bzw. auii der Gesamtzahl der Pixel mindestens zweier aktueller Abtastfenster bei Aufnahmen zur Stereokcjrtierung oder Multispektralaufnahmen unter Inanspruchnahme der Flugbewegungs- und Fiuglagesignale, die Pixel mindestens einer synthetischen Sollscanzeile je Abtastfenster bestimmt werden, die der Sollfluglage entsprechen und die derart gewonnenen synthetischen Sollscanzeilen symmetrisch zum Nadir und senkrecht zur wahren Flugrichtung liegen.

   - und durch eine Verringerung oder Erhöhung des Auslesetaktes der synthetischen Sollscanzeilen · entsprechend dem in bekannter Weise gewonnenen Meßwert v_g/h_g eine Übereinstimmung zwischen Längs- und Quermaßstab der Scanneraufnahme realisiert wird.