DE102007016176B4

DE102007016176B4 - Optisches Sensorsystem und Verfahren zur Ansteuerung eines optischen Sensorsystems

Info

Publication number: DE102007016176B4
Application number: DE102007016176.1A
Authority: DE
Inventors: Prof. Jahn Herbert; Dr. Eckardt Andreas; Dr. Börner Anko
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2015-08-06
Anticipated expiration: 2027-04-03
Also published as: DE102007016176A1

Abstract

Optisches Sensorsystem (10), umfassend mindestens einen TDI-Sensor (1), der auf einer Fokalebene angeordnet ist, mindestens ein optisches Element und eine Steuereinheit (6) zum Ansteuern des TDI-Sensors (1), wobei das optische Sensorsystem (10) eine Positions- und Lagemesseinheit (5) umfasst, wobei aus den Daten der Positions- und Lagemesseinheit (5) eine Geschwindigkeit ) zu einem Messobjekt bestimmt wird und die Steuereinheit (6) die Taktung des TDI-Sensors (1) mit der Geschwindigkeit ) synchronisiert, und aus den Daten der Positions- und Lagemesseinheit (5) eine Blickrichtung des TDI-Sensors (1) auf das Messobjekt bestimmt wird, wobei mittels mindestens eines Aktuators (4, 7) in Abhängigkeit der erfassten Blickrichtung die geometrische Ausrichtung des TDI-Sensors (1) verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokalebene zur Korrektur der Blickrichtung des TDI-Sensors (1) mechanisch nachgeführt wird, wobei die Fokalebene mindestens zweiteilig ausgebildet ist und einen festen Teil (3) und einen beweglichen Teil (2) aufweist, der TDI-Sensor (1) auf dem beweglichen Teil (2) angeordnet ist und der bewegliche Teil (2) zu dem festen Teil (3) durch mindestens einen Aktuator (4) bewegbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Sensorsystem und ein Verfahren zur Ansteuerung eines optischen Sensorsystems.
In vielen modernen Sensorsystemen finden heute TDI-(Time Delay and Integration)-Sensoren Anwendung. Das Grundprinzip dieser Sensoren besteht darin, dass die Relativbewegung des Sensors zum Objekt ausgenutzt wird. Vom Objekt reflektierte oder emittierte Strahlung erzeugt im Detektorelement Ladungsträger. Diese Ladungsträger werden im Gegensatz zur klassischen CCD-Zeile nicht sofort in einen Auslesekanal transferiert, sondern stattdessen im Detektor in Richtung der Relativbewegung in den benachbarten Bereich verschoben und dort erneut belichtet. Dieser Schritt kann mehrere Male erfolgen. Typisch sind heute bis zu 128 TDI-Stufen. Mit einem solchen Ansatz kann sich das Signal-Rausch-Verhältnis um einen Faktor verbessern, der sich aus der Quadratwurzel der Anzahl der TDI-Stufen ergibt.
Eine hohe Abbildungsqualität setzt eine exakte geometrische Ausrichtung des TDI-Sensors bezüglich der Bewegungsrichtung sowie eine genaue zeitliche Synchronisierung des TDI-Sensors voraus. Während der Bilddatenaufnahme über die Anzahl der TDI-Stufen darf sich der Mittelpunkt des auf das Objekt projizierten Pixels um nicht mehr als etwa 0,2 Pixel verschieben.
Besonders schwierig stellt sich die Situation dar, wenn der TDI-Sensor nicht parallel zur Objektfläche ausgerichtet ist, da sich dadurch der Abbildungsmaßstab und damit der räumliche Abtastabstand ändert (z. B. Schrägblick bei satellitengestützten Kamerasystemen), oder wenn er nicht exakt senkrecht zur Vorwärtsbewegung des Sensorsystems ausgerichtet ist.
Aus dem Fachartikel Janschek, Klaus; Tchernykh, Valerij; Dyblenko, Serguei: Integrated Camera Motion Compensation by Real-Time Image Motion Tracking and Image Deconvolution. 2005 IEEE/ASME Internat. Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, Monterey, CA, USA, 24–28 July, 2005. Proceedings, pp. 1437–1444; ist ein optisches Sensorsystem bekannt, umfassend mindestens einen TDI-Sensor, der auf einer Fokalebene angeordnet ist, mindestens ein optisches Element und eine Steuereinheit zum Ansteuern des TDI-Sensors, wobei das optische Sensorsystem eine Positions- und Lagemesseinheit umfasst. Aus den Daten der Positions- und Lagemesseinheit wird eine Geschwindigkeit zu einem Messobjekt bestimmt und die Steuereinheit synchronisiert die Taktung des TDI-Sensors mit der Geschwindigkeit. Aus den Daten der Positions- und Lagemesseinheit wird eine Blickrichtung des TDI-Sensors auf das Messobjekt bestimmt, wobei mittels mindestens eines Aktuators in Abhängigkeit der erfassten Blickrichtung die geometrische Ausrichtung des TDI-Sensors verändert wird.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein optisches Sensorsystem und ein Verfahren zur Ansteuerung eines optischen Sensorsystems zu schaffen, mittels derer die Abbildungsqualität verbessert wird.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu umfasst das optische Sensorsystem mindestens einen TDI-Sensor, der auf einer Fokalebene angeordnet ist, mindestens ein optisches Element, eine Steuereinheit zum Ansteuern des TDI-Sensors und eine Positions- und Lagemesseinheit, wobei aus den Daten der Positions- und Lagemesseinheit eine Geschwindigkeit zu einem Messobjekt bestimmt wird und die Steuereinheit die Taktung des TDI-Sensors mit der Geschwindigkeit synchronisiert, und aus den Daten der Positions- und Lagemesseinheit eine Blickrichtung des TDI-Sensors auf das Messobjekt bestimmt wird, wobei mittels mindestens eines Aktuators in Abhängigkeit der erfassten Blickrichtung die geometrische Ausrichtung des TDI-Sensors verändert wird. Durch den vorgeschlagenen Ansatz können eine hohe Abbildungsqualität und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis gewährleistet werden, auch wenn Systemparameter vom Sollwert abweichen. Der Einfluss variierender Relativgeschwindigkeiten zwischen Sensor und Objekt kann durch eine Steuerung des Taktzeitregimes des TDI-Sensors kompensiert werden, wohingegen veränderliche Blickrichtungen durch die geometrische Ausrichtung des TDI-Sensors mittels des Aktuators kompensiert werden, so dass die parallele Lage zur Oberfläche des Messobjektes als auch die senkrechte Lage zur Relativgeschwindigkeit sichergestellt werden kann. Dabei wird die Fokalebene zur Korrektur der Blickrichtung des TDI-Sensors mechanisch nachgeführt. Dabei ist die Fokalebene mindestens zweiteilig ausgebildet und weist einen festen Teil und einen beweglichen Teil auf, wobei der TDI-Sensor auf dem beweglichen Teil angeordnet ist und der bewegliche Teil zu dem festen Teil durch mindestens einen Aktuator bewegbar ist. Der feste Teil ist dabei vorzugsweise definiert zur Positions- und Lagemesseinheit angeordnet, wobei die Verbindung vorzugsweise starr ist. Durch die definierte Bewegung des beweglichen Teils der Fokalebene kann dann die Blickrichtung des TDI-Sensors aufgrund der Daten der Positions- und Lagemesseinheit korrigiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann sich der bewegliche Teil der Fokalebene nur in der Ebene des festen Teils der Fokalebene bewegen, was die Ansteuerung durch die Aktuatoren vereinfacht.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird zusätzlich das optische Sensorsystem und/oder das optische Element zur Korrektur der Blickrichtung des TDI-Sensors mechanisch nachgeführt. Die Nachführung des optischen Sensorsystems ist nachteilig in Bezug auf die große Masse, die bewegt werden muss, hat jedoch den Vorteil, dass relativ starke Fehlausrichtungen kompensiert werden können. Die optischen Elemente, wie beispielsweise Spiegel, sind genauer einzustellen, da die Masse geringer ist. Eine sehr genaue Einstellung kann durch die Ausrichtung der Fokalebene erfolgen. Vorzugsweise werden daher mindestens zwei der genannten Nachführungen kombiniert, beispielsweise die Komplett-Ausrichtung des optischen Sensorsystems und die Ausrichtung der Fokalebene. Bei einem Satelliten erfolgt dabei die Ausrichtung des optischen Sensorsystems durch den Satellitenantrieb.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Positions- und Lagemesseinheit einen GPS-Receiver und ein Inertialmesssystem (IMU). Dabei soll unter GPS allgemein ein satellitengestütztes Positionsbestimmungssystem verstanden werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Positions- und Lagemesseinheit zusätzlich eine Sternkamera.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines optischen Sensorsystems.
In der 1 ist schematisch ein Teil eines optischen Sensorsystems 10 dargestellt. Das optische Sensorsystem 10 umfasst einen TDI-Sensor 1, bestehend aus n × m Detektorelementen, wobei n die Anzahl der Pixel des TDI-Sensors 1 ist und m die Anzahl der TDI-Stufen. Im dargestellten Beispiel ist n = 16 und m = 4. Die Fokalebene des optischen Sensorsystems 10 umfasst einen beweglichen Teil 2 und einen festen Teil 3, wobei vorzugsweise der feste Teil 3 definiert starr zu einer Positions- und Lagemesseinheit 5 angeordnet ist. Der bewegliche Teil 2 ist über vier Piezo-Stellelemente 4 relativ zum festen Teil 3 beweglich, wobei vorzugsweise die Bewegung nur in der Ebene des festen Teils 3 erfolgen kann. Die Bewegung kann dabei translatorisch und/oder rotatorisch erfolgen. Die Positions- und Lagemesseinheit 5 umfasst einen GPS-Receiver, ein Inertialmesssystem IMU und eine Sternkamera bei Satellitenanwendungen. Die Positions- und Lagemesseinheit 5 ist mit einer Steuereinheit 6 verbunden. Aus den Daten der Positions- und Lagemesseinheit 5 bestimmt die Steuereinheit 6 die Geschwindigkeit V → zu einem Objekt und die Blickrichtung zu dem Objekt. Anhand dieser Daten steuert die Steuereinheit 6 das Taktregime des TDI-Sensors und berechnet eine notwendige Verschiebung bzw. Verdrehung des beweglichen Teils 2, damit die Pixel senkrecht zur Geschwindigkeit V → stehen. Hierdurch wird sichergestellt, dass der gleiche Bildpunkt über die Pixel einer TDI-Stufe läuft. Diese Verschiebung bzw. Verdrehung erfolgt durch geeignete Ansteuerung der Piezo-Stellelemente 4 durch die Steuereinheit 6. Des Weiteren ist die Steuereinheit 6 mit weiteren Aktuatoren 7 verbunden. Mittels der weiteren Aktuatoren 7 können beispielsweise optische Elemente wie Spiegel oder aber Drallräder angesteuert werden, um das optische Sensorsystem 10 zum Objekt auszurichten, so dass der TDI-Sensor 1 parallel zum Objekt liegt.

Claims

Optisches Sensorsystem (10), umfassend mindestens einen TDI-Sensor (1), der auf einer Fokalebene angeordnet ist, mindestens ein optisches Element und eine Steuereinheit (6) zum Ansteuern des TDI-Sensors (1), wobei das optische Sensorsystem (10) eine Positions- und Lagemesseinheit (5) umfasst, wobei aus den Daten der Positions- und Lagemesseinheit (5) eine Geschwindigkeit (V →) zu einem Messobjekt bestimmt wird und die Steuereinheit (6) die Taktung des TDI-Sensors (1) mit der Geschwindigkeit (V →) synchronisiert, und aus den Daten der Positions- und Lagemesseinheit (5) eine Blickrichtung des TDI-Sensors (1) auf das Messobjekt bestimmt wird, wobei mittels mindestens eines Aktuators (4, 7) in Abhängigkeit der erfassten Blickrichtung die geometrische Ausrichtung des TDI-Sensors (1) verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokalebene zur Korrektur der Blickrichtung des TDI-Sensors (1) mechanisch nachgeführt wird, wobei die Fokalebene mindestens zweiteilig ausgebildet ist und einen festen Teil (3) und einen beweglichen Teil (2) aufweist, der TDI-Sensor (1) auf dem beweglichen Teil (2) angeordnet ist und der bewegliche Teil (2) zu dem festen Teil (3) durch mindestens einen Aktuator (4) bewegbar ist.
Optisches Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Teil (2) der Fokalebene sich nur in der Ebene des festen Teils (3) der Fokalebene bewegen kann.
Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels weiterer Aktuatoren (7) das optische Element und/oder das optische Sensorsystem (10) zur Korrektur der Blickrichtung des TDI-Sensors (1) mechanisch nachgeführt werden.
Optisches Sensorsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Aktuatoren als Piezo-Stellelemente (4) ausgebildet sind.
Optisches Sensorsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positions- und Lagemesseinheit (5) einen GPS-Receiver und ein Inertialmesssystem umfasst.
Optisches Sensorsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Positions- und Lageeinheit (5) eine Sternkamera umfasst.
Verfahren zur Ansteuerung eines optischen Sensorsystems (10), wobei das optische Sensorsystem (10) mindestens einen TDI-Sensors (1), der auf einer Fokalebene angeordnet ist, mindestens ein optisches Element, eine Steuereinheit (6) und eine Positions- und Lagemesseinheit (5) umfasst, wobei aus den Daten der Positions- und Lagemesseinheit (5) eine Geschwindigkeit (V →) zu einem Messobjekt bestimmt wird und die Steuereinheit (6) die Taktung des TDI-Sensors (1) mit der Geschwindigkeit (V →) synchronisiert und aus den Daten der Positions- und Lagemesseinheit (5) eine Blickrichtung des TDI-Sensors (1) auf das Messobjekt bestimmt wird, wobei mittels mindestens eines Aktuators (4, 7) in Abhängigkeit der erfassten Blickrichtung die geometrische Ausrichtung des TDI-Sensors (1) verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokalebene zur Korrektur der Blickrichtung mechanisch nachgeführt wird, wobei die Fokalebene mindestens zweiteilig ausgebildet ist und einen festen Teil (3) und einen beweglichen Teil (2) aufweist, der TDI-Sensor (1) auf dem beweglichen Teil (2) angeordnet ist und der bewegliche Teil (2) zu dem festen Teil (3) durch mindestens einen Aktuator bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Teil (2) nur in der Ebene des festen Teils (3) der Fokalebene bewegt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels weiterer Aktuatoren (7) das optische Element und/oder das optische Sensorsystem (10) zur Korrektur der Blickrichtung des TDI-Sensors (1) nachgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Aktuatoren als Piezo-Stellelemente (4) ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Positions- und Lagemesseinheit (5) einen GPS-Receiver und ein Inertialmesssystem umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Positions- und Lagemesseinheit eine Sternkamera umfasst.