DE102010046391B4

DE102010046391B4 - Optisches System

Info

Publication number: DE102010046391B4
Application number: DE102010046391.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Börner Anko; Patrick Scherbaum
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2017-05-04
Anticipated expiration: 2030-09-25
Also published as: DE102010046391A1

Abstract

Optisches System, insbesondere für eine Fernerkundungskamera, umfassend mindestens eine Optik mit einer vorgegebenen Brennweite f und mindestens einem optischen Sensor, wobei der Sensor als TDI-Zeilen-Sensor ausgebildet ist, der eine Pixelgröße μ aufweist, wobei die Integrationszeit tint einer TDI-Zeile in Abhängigkeit eines zu erwartenden Objektabstandes h und einer Geschwindigkeit vflug eines Trägers des optischen Systems eingestellt ist, so dass für ein Speed Ratio SR gilt |SR – 1| < δ mit δ ≤ 0,05, wobei weiter gilt:dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (10) mindestens zwei TDI-Zeilen-Sensoren (1, 2) aufweist, wobei die Speed Ratios SR der TDI-Zeilen-Sensoren (1, 2) auf unterschiedliche Objektabstände h eingestellt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Digitale Luftbildkameras verwenden in der Regel einen Zeilensensor oder einen Matrixsensor zur Bildaufnahme. Die Integrationszeit für die Detektoren dieser Kameras wird über die Parameter Fluggeschwindigkeit und Bodenauflösung definiert. Die während der Belichtung auftretende Bewegungsverschmierung kann so auf unter ½ Pixel begrenzt werden. Bei analogen Luftbildkameras fanden Vorrichtungen zur ”Forward Motion Compensation” Verwendung, bei denen die Bildebene mechanisch entgegen der Flugrichtung bewegt wurde, um der Bewegungsverschmierung entgegen zu wirken und eine höhere Integrationszeit zu ermöglichen. Prinzipiell ist es denkbar, solche Ansätze auch für digitale Kameras zu verwenden.
Soll eine Kamera auf einem schnell fliegenden System zum Einsatz kommen, stoßen herkömmliche Sensoren schnell an ihre Grenzen. Die hohe Geschwindigkeit hat sehr kurze Integrationszeiten zur Folge, was ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis zur Folge hat. Maßnahmen, die diesen Effekt kompensieren könnten (z. B. größere Apertur), entfallen in der Regel durch den hohen technischen Mehraufwand, die Kosten und/oder durch Masse-/Volumen-Anforderungen. Durch die kurzen Integrationszeiten wird der zur Verfügung stehende Dynamikbereich der Kamera nicht ausgenutzt. Diese Effekte sind durch bildverarbeitende Maßnahmen nicht korrigierbar.
Als Alternative bietet sich die TDI-Technologie (time delay integration) an. Diese Detektoren sind Matrizen mit X·(Y + N – 1) Detektorelementen, wobei X die Anzahl der Pixel quer zur Flugrichtung ist, Y die Anzahl der Pixel in Flugrichtung und N die Anzahl der TDI-Stufen. Durch ein zur Flugbewegung synchrones Verschieben der Ladungsträger im Detektor wird die Integrationszeit scheinbar um den Faktor N erhöht. Das Verhältnis von Ladungstransfergeschwindigkeit zur Geschwindigkeit der Kamera über Grund wird auch als Speed Ratio bezeichnet. Ein Wert von 1 gewährleistet eine optimale Abbildungsqualität. Die Einstellung des optimalen Speed Ratios erfordert neben der Kenntnis der Fluggeschwindigkeit auch die Kenntnis der Geländehöhe bzw. allgemeiner des Objektabstandes. Dabei gilt für die Speed Ratio SR:

μ: = Pixelgröße
h: = Objektabstand
t_int: = Integrationszeit einer TDI-Zeile
f: = Brennweite der Optik
v_flug: = Geschwindigkeit eines Trägers des optischen Systems.

Weicht die SR von 1 ab, kommt es zu Bildverschmierungen.
Insbesondere bei Geländeprofilen mit einer großen Höhendynamik führt dies zu Problemen, da sich permanent der Objektabstand verändert.
Aus der US 6 108 032 A ist ein optisches System, insbesondere für eine Fernerkundungskamera, bekannt, umfassend mindestens eine Optik mit einer vorgegebenen Brennweite f und mindestens einem optischen Sensor, wobei der Sensor als CCD-Matrix Sensor ausgebildet ist, der über eine Vielzahl von Zeilen und Spalten verfügt. Dabei werden Zeilen-Segmente gebildet, wobei die Zeilen-Segmente mit unterschiedlichen Taktfrequenzen angesteuert werden, um unterschiedliche Objektabstände aufgrund einer Schrägstellung des optischen Systems zu kompensieren und so die Speed Radio SR nahe bei 1 zu halten.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein optisches System zu schaffen, das eine verbesserte Aufnahmequalität bei schnellen Überflügen über Gebiete mit großer Höhendynamik ermöglicht.
Hierzu umfasst das optische System, insbesondere für eine Fernerkundungskamera, mindestens eine Optik mit einer vorgegebenen Brennweite f und mindestens einen optischen Sensor, der als TDI-Zeilen-Sensor ausgebildet ist und eine Pixelgröße μ aufweist, wobei die Integrationszeit t_int einer TDI-Zeile in Abhängigkeit eines zu erwartenden Objektabstandes h und einer Geschwindigkeit v_flug eines Trägers des optischen Systems eingestellt ist, so dass für ein Speed Ratio SR gilt |SR – 1| < δ (mit δ ≤ 0,05) und weiter gilt:
Das optische System muss mindestens zwei TDI-Zeilen-Sensoren aufweisen, wobei die Speed Ratio der TDI-Zeilen-Sensoren auf unterschiedliche Objektabstände eingestellt sind. Nach der Aufnahme sind die Daten der TDI-Zeilen-Sensoren unter Nutzung der Kenntnis vom überflogenen Gelände zu separieren und die jeweils optimalen Bildbereiche zu einer Gesamtaufnahme zusammenzusetzen. Der Träger des optischen Systems ist dabei vorzugsweise ein Flugzeug oder ein Satellit. Wie der Formel für das SR zu entnehmen ist, existieren prinzipiell mehrere Parameter, mittels derer es einstellbar ist, wobei nur die Geschwindigkeit v_flug für alle TDI-Zeilen-Sensoren zwingend gleich ist.
Vorzugsweise ist den verschiedenen TDI-Zeilen-Sensoren eine gemeinsame Optik zugeordnet, so dass für alle auch die gleiche Brennweite vorliegt.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Einstellung der Speed Ratio für unterschiedliche Objektabstände für die TDI-Zeilen-Sensoren ausschließlich über die Integrationszeit t_int. Hierdurch können insbesondere TDI-Zeilen-Sensoren gleicher Pixelgröße verwendet werden, was hinsichtlich der späteren Fusionierung der verschiedenen Bildaufnahmen von Vorteil ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Steuereinrichtung für die TDI-Zeilen-Sensoren vorgesehen, der a priori Informationen über ein Fluggebiet (Geländeprofil) zuführbar sind, wobei die TDI-Zeilen-Sensoren in Abhängigkeit der a priori Informationen bezüglich des zu erwartenden Objektabstandes einstellbar sind.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Daten der TDI-Zeilen-Sensoren mit einer Orts- und/oder Zeitinformation in einem Speicher abgelegt oder übertragen, beispielsweise an eine Bodenstation.
In einer weiteren Ausführungsform werden zulässige Höhenintervalle, in denen jeweils die jeweiligen TDI-Zeilen-Sensoren mit hinreichender Qualität abbilden (|SR – 1| < δ), durch einen Wert für die Standardabweichung einer mit einer Gauss-Funktion approximierten Punktverschmierungsfunktion definiert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines Teils eines optischen Systems und
2 eine schematische Darstellung eines Geländeprofils.
Das optische System 10 umfasst eine Fokalebenenplatte 5, auf der zwei TDI-Zeilen-Sensoren 1, 2 angeordnet sind. Die beiden TDI-Zeilen-Sensoren 1, 2 werden von einer Steuereinheit 3 angesteuert. Dabei wird der TDI-Zeilen-Sensor 1 derart angesteuert, dass die Integrationszeit t, beträgt. Entsprechend wird der TDI-Zeilen-Sensor 2 derart angesteuert, dass die Integrationszeit t_int2 beträgt, wobei t_int1 ≠ t_int2 ist. Dabei sei angemerkt, dass anstelle der dargestellten einen Steuereinheit 3 auch jedem TDI-Zeilen-Sensor 1, 2 eine eigene Steuereinheit zugeordnet werden kann. Weiter sei ausdrücklich klargestellt, dass die Anzahl der TDI-Zeilen-Sensoren nicht auf zwei beschränkt ist, sondern auch drei oder mehr betragen kann. Die Datenausgänge der TDI-Zeilen-Sensoren 1, 2 sind mit einem Speicher 4 verbunden, in dem die über alle TDI-Stufen aufintegrierten Bilddaten gespeichert werden. Vorzugsweise werden dabei den Datensätzen Zeit- und/oder Ortsinformationen, beispielsweise von einer Positionsbestimmungseinheit, zugeordnet. Dadurch können dann bei einer späteren Auswertung die Datensätze miteinander verglichen werden.
Anhand von 2 soll nun das Grundprinzip der Erfindung näher erläutert werden. Ausgangspunkt ist die Gleichung für die Speed Ratio:
Es sei nun angenommen, dass die Brennweite f der Optik, die Geschwindigkeit v_flug des Trägersystems des optischen Systems 10 und die Pixelgröße μ der TDI-Zeilen-Sensoren 1, 2 konstant ist, so ist SR abhängig von dem Objektabstand h und der Integrationszeit t_int. Befindet sich das Gelände, das überflogen wird, auf dem Niveau Normal Null, so gilt Geländehöhe h_g = 0 und der Objektabstand h ist gleich der Flughöhe h_f des optischen Systems 10. Allgemein gilt h = h_f – h_g. Würde nun die Integrationszeit t_int fest eingestellt werden, so ändert sich die Speed Ratio SR in Abhängigkeit der überflogenen Geländehöhe h_g. Andererseits ist eine dynamische Anpassung der Integrationszeit t_int in Abhängigkeit der Geländehöhe h_g insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten v_flug nicht möglich.
In der 2 ist beispielsweise ein Geländeprofil über den Ort X aufgetragen, wobei angenommen sei, dass h_g,max die maximale Geländehöhe h_g darstellt und andererseits keine Tiefen existieren (h_g < 0), wobei die Erfindung prinzipiell diese ebenfalls berücksichtigen kann.
Wird nun die Integrationszeit t_int1 des ersten TDI-Zeilen-Sensors 1 derart gewählt, dass unter Berücksichtigung der anderen Parameter f, μ und v_flug bei einer Geländehöhe h_g = ¼h_g,max SR = 1 gilt und entsprechend die Integrationszeit t_int2 des zweiten TDI-Zeilen-Sensors 2 derart gewählt wird, dass bei einer Geländehöhe h = ¾h_g,max SR = 1 gilt, so decken die beiden TDI-Zeilen-Sensoren 1, 2 das Geländeprofil mit ausreichend genauer Speed Ratio SR ab. Bei einer späteren Auswertung werden dann die Bildaufnahmen des ersten TDI-Zeilen-Sensors 1 für Geländehöhen h_g < ½h_g,max und die Bildaufnahmen des zweiten TDI-Zeilen-Sensors 2 für Geländehöhen h_g > ½h_g,max verwendet. Es versteht sich, dass was hier mit zwei Sensoren beschrieben wurde, durch eine Vielzahl von TDI-Zeilen-Sensoren feiner unterteilt werden kann, so dass jeweils Aufnahmen mit einem SR nahe 1 zur Verfügung stehen.

Claims

Optisches System, insbesondere für eine Fernerkundungskamera, umfassend mindestens eine Optik mit einer vorgegebenen Brennweite f und mindestens einem optischen Sensor, wobei der Sensor als TDI-Zeilen-Sensor ausgebildet ist, der eine Pixelgröße μ aufweist, wobei die Integrationszeit t_int einer TDI-Zeile in Abhängigkeit eines zu erwartenden Objektabstandes h und einer Geschwindigkeit v_flug eines Trägers des optischen Systems eingestellt ist, so dass für ein Speed Ratio SR gilt |SR – 1| < δ mit δ ≤ 0,05, wobei weiter gilt:
dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (10) mindestens zwei TDI-Zeilen-Sensoren (1, 2) aufweist, wobei die Speed Ratios SR der TDI-Zeilen-Sensoren (1, 2) auf unterschiedliche Objektabstände h eingestellt sind.
Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den verschiedenen TDI-Zeilen-Sensoren (1, 2) eine gemeinsame Optik zugeordnet ist.
Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Speed Ratios SR für unterschiedliche Objektabstände h für die TDI-Zeilen-Sensoren (1, 2) ausschließlich über die Integrationszeit t_ist1,2 erfolgt.
Optisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (3) für die TDI-Zeilen-Sensoren (1, 2) vorgesehen ist, der a priori Informationen über ein Fluggebiet zuführbar sind, wobei die TDI-Zeilen-Sensoren (1, 2) in Abhängigkeit der a priori Informationen bezüglich des zu erwartenden Objektabstandes h einstellbar sind.
Optisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten der TDI-Zeilen-Sensoren (1, 2) mit einer Orts- und/oder Zeitinformation in einem Speicher (4) abgelegt oder übertragen werden.
Optisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zulässige Höhenintervalle, in denen die jeweiligen TDI-Zeilen-Sensoren (1, 2) mit hinreichender Qualität abbilden, durch einen Wert für die Standardabweichung einer mit einer Gauss-Funktion approximierten Punktverschmierungsfunktion definiert werden.