DE10248914A1 - Verfahren zur Beobachtung eines Objekts und Satellit zur Anwendung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Beobachtung eines Objekts und Satellit zur Anwendung des VerfahrensInfo
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Abstract
Das Verfahren wendet ein Interferometer (1, 2, 3) an, bei dem ein einfallender Strahl (I) in zwei resultierende Strahlen aufgeteilt und zwischen ihnen eine Laufstreckendifferenz erzeugt wird. Detektoren (4) zeichnen die Interferenzen zwischen den resultierenden Strahlen auf. Das Verfahren umfasst die Schritte: DOLLAR A a) Durchlauf des Objekts vor dem Interferometer (1, 2, 3) und Aufzeichnen der entsprechenden Interferenzen, wobei das Interferometer unterschiedliche Laufstreckendifferenzen zwischen den resultierenden Strahlen des Objekts in Abhängigkeit vom Fortschreiten des Durchlaufs erzeugt, und DOLLAR A b) Wiederholen des Schritts a), wobei die unterschiedlichen Laufstreckendifferenzen, die von dem Interferometer zwischen den resultierenden Strahlen des Objekts erzeugt werden, in Abhängigkeit vom Fortschreiten des Durchlaufs variiert werden. DOLLAR A Jedem Durchlauf entspricht eine andere Zeile von Detektoren (4), die das Objekt sehen, wobei letzteres nacheinander von den Detektoren (4) der Zeile im Laufe des Durchlaufs gesehen wird. Das Verfahren ist besonders geeignet zur Anwendung bei sich drehenden Satelliten.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beobachtung eines Objektes, welches es ermöglicht, das Interferenzbild des Objektes zu bestimmen, um das entsprechende Spektrum durch Anwendung der Fouriertransformation zu erzeugen. Die Erfindung betrifft auch einen Satelliten, der das Verfahren anwendet, z. B. Erdbeobachtungssatelliten oder dergleichen.
- Es ist bekannt, Spektralbänder einer Zone der Erde von einem Satelliten aus zu beobachten. Ursprünglich wurde die Beobachtung mit auf dem Satelliten mitgeführten dispersiven Systemen mit Prismen durchgeführt. Dessen Durchführung erfordert erheblichen Platz, und die erreichte Auflösung ist gering.
- Anschließend wurde vorgeschlagen, ein Michelson-Interferometer in Verbindung mit Fotodetektoren zu verwenden. Dieses System macht es erforderlich, die Position eines der Spiegel des Interferometers zu variieren, um die Weglänge zwischen den zwei in dem Interferometer resultierenden Strahlen zu variieren, so dass jeder Detektor ein vom Lichtspektrum des untersuchten Objekts abhängiges Interferenzbildsignal empfängt. Eine Recheneinheit bestimmt das Interferenzbild anhand der von den Detektoren gelieferten Signale durch Fouriertransformation. Es ist jedoch schwierig, an Bord eines Satelliten einen Mechanismus einzusetzen, der es erlaubt, die Position eines der zwei Spiegel des Interferometers zu variieren.
- Um diesen Nachteil zu beheben, ist vorgeschlagen worden, das Interferenzbild einer Bodenzone von einem Satelliten aus mit Hilfe einer optischen Vorrichtung zu erzeugen, die keine Bewegung von optischen Teilen erfordert.
- So schlägt EP-A-68 922 eine optische Vorrichtung vor, die die Bewegung der beobachteten Quelle nutzt, um das Interferenzbild zu realisieren, anstatt ein optisches Teil der optischen Vorrichtung zu bewegen. Hierfür umfasst die Vorrichtung einen Savart-Polarisationsprüfer, für den die Wegdifferenz der resultierenden Strahlen vom Einfallswinkel des einfallenden Strahls abhängt, wobei letzterer mit der Bewegung der beobachteten Quelle variiert. Die Vorrichtung umfasst ein Mosaik von CCD-Detektoren, die in der Bildebene der optischen Vorrichtung angeordnet sind und gleichzeitig eine streifenförmige Zone am Erdboden beobachten. Jeder Detektor liefert zu einem gegebenen Zeitpunkt ein Ausgangssignal, das einem Abschnitt der Zone unter einem gegebenen Einfallswinkel entspricht. Um das Interferenzbild eines solchen Abschnitts - herkömmlicherweise Pixel genannt - zu erhalten, wird nacheinander das Ausgangssignal von Detektoren einer gleichen Detektorleiste, d. h. einer Folge von ausgerichteten und zur Laufrichtung der Bodenzone parallelen Detektoren, abgegriffen. Des Spektrum des Pixels wird wieder hergestellt, indem die Fouriertransformation des Interferenzbilds durchgeführt wird.
- FR-A-2 641 075 schlägt vor, das obige System zu verändern, um insbesondere die radiometrische Auflösung und die spektrale Auflösung zu verbessern, als auch die Wegdifferenz unabhängig vom Winkel des einfallenden Strahls zu machen. Hierfür wird eine interferometrische Vorrichtung beschrieben, die einem Mosaik von CCD-Detektoren zugeordnet ist. Der von einem Detektor empfangene Strahl resultiert aus der Addition von zwei Strahlen, die durch Teilung eines von einem zu beobachtenden Pixel kommenden einfallenden Strahls erhalten sind und zwischen denen die Vorrichtung eine Weglängendifferenz erzeugt. Wie in dem System des vorhergehenden Dokuments entsprechen jedem Pixel aufeinanderfolgende, von verschiedenen Detektoren einer gleichen Leiste empfangene und mit unterschiedlichen Weglängenunterschieden verarbeitete Strahlen. Das spektrale Bild des Pixels wird in der gleichen Weise wie im vorhergehenden Dokument erhalten.
- US-A-3 684 379 beschreibt eine interferometrische Vorrichtung vom Michelson-Typ, die in einem Fouriertransformationsspektrometer vom bisher beschriebenen Typ verwendet werden kann. Sie unterscheidet sich von einem herkömmlichen Michelson-Interferometer dadurch, dass ihre zwei Spiegel fest sind und dass einer von ihnen so geneigt ist, dass der Querschnitt des Interferometers in seiner Längsrichtung nicht konstant ist. Auf diese Weise variiert die Weglängendifferenz zwischen den zwei resultierenden Strahlen in Abhängigkeit von der Längsposition, bei der der einfallende Strahl in das Interferometer eindringt. Durch Anbringen einer empfindlichen Oberfläche in der Bildebene des Interferometers, die eine entsprechende Länge hat, und durch Verschieben des einfallenden Strahls in der Längsrichtung des Interferometers erhält man das Interferenzbild, an dem die Fouriertransformation durchgeführt werden kann, um das entsprechende Spektrum zu erhalten.
- EP-A-402 194 beschreibt eine andere interferometrische Vorrichtung für ein bewegtes Fouriertransformationsspektrometer. Das Interferenzbild und das Spektrum eines Pixels werden in ähnlicher Weise wie bei den vorgenannten Systemen erhalten.
- Alle diese bewegten Fouriertransformationsspektroskopiesysteme haben einen gleichen Nachteil. Die Zahl von Abtastwerten, die zum Erhalten des Spektrums eines Pixels durch Anwendung der Fouriertransformation erforderlich sind, ist hoch, in der Größenordnung von 1000. Um diese Zahl von Abtastwerten aufzunehmen, muss die Detektorleiste eine entsprechende Zahl von Detektoren aufweisen. Daraus resultiert, dass die Leiste eine große Länge hat. Es liegt auf der Hand, dass das Spektrometer nur korrekt arbeitet, wenn jeder der Detektoren nacheinander das gleiche Pixel sieht. Wenn aber ein solches System auf einem Satelliten mitgeführt wird, erlaubt es die Stabilität der Bahnbewegung und/oder der Ausrichtungsfehler der Detektorleiste in Bezug auf die Bahnbewegungsrichtung nicht, zu gewährleisten, dass ein gleiches Pixel tatsächlich vom ersten bis zum letzten Detektor der Leiste im Laufe der Messung gesehen wird.
- FR-A-2 787 186 beschreibt ein Mehrkanalinterferometer vom Michelson-Typ. Es unterscheidet sich von einem klassischen Michelson-Interferometer dadurch, dass seine zwei Spiegel fest sind, und dass einer von ihnen oder beide treppenstufenartig geformt sind. Der Strahl des beobachteten Pixels wird gleichzeitig auf sämtlichen Stufen der zwei Spiegel empfangen. Jede Stufe des ersten Spiegels erzeugt in Beziehung zu einer Stufe des zweiten Spiegels eine gegebene Laufstreckendifferenz, die jedes Mal anders ist. Mit anderen Worten wird, wenn n und m der Zahl von Stufen eines jeden Spiegels entsprechen, der eintreffende Strahl gleichzeitig mit (n × m) Laufstreckendifferenzen verarbeitet. Ein Detektor eines Detektormosaiks erlaubt es, in der Bildebene die zwei resultierenden Strahlen aufzufangen, die einem gegebenen Paar von Stufen entsprechen. Dieses System erfasst also zu jedem Zeitpunkt das gesamte Interferenzbild.
- US-A-6 016 199 schlägt eine ähnliche Vorrichtung vor, allerdings auf Grundlage eines Interferometers vom Fabry-Perot-Typ.
- Diese Systeme haben als wesentlichen Nachteil, dass sie die Energie des von jedem der Detektoren empfangenen einfallenden Strahls aufteilen. Anders als bei den oben erwähnten bewegten Systemen, wo jeder Detektor die Gesamtheit der dem eintreffenden Strahl entsprechenden Energie empfängt, empfängt ein gegebener Detektor nur einen von der Zahl der Detektoren des Mosaiks abhängigen Bruchteil dieser Energie. Im Falle eines auf einem Satelliten mitgeführten Systems, das eine Zone des Erdbodens untersucht, ist diese Aufteilung der von jedem Detektor empfangenen Energie ein Nachteil aufgrund der Entfernung des Satelliten vom Boden. Hieraus kann eine Signalstärke resultieren, die nicht ausreicht, um den Detektoren die Erfassung des Interferenzbildes zu ermöglichen. Dieser Nachteil ist noch verschärft, wenn es sich um einen um sich selbst drehenden Satelliten handelt, wie etwa einen geostationären Satelliten, der sich mit einer Geschwindigkeit von 0,6 Sekunden pro Umdrehung um sich selbst dreht, weil die Projektion der Blicklinie des Satelliten auf den Erdboden einer Ost-West-Bewegung von sehr hoher Geschwindigkeit folgt, die durch die Drehung des Satelliten erzeugt ist.
- Allgemein haben Gitterspektrometer, die das zu analysierende Spektralband in schmale Bänder aufteilen, den gleichen Nachteil, dass sie ein schwaches radiometrisches Signal liefern. Um ein solches Signal in der Praxis zu nutzen, muss man es in einem sogenannten TDI-Verfahren (englisch "Time Delay Integration") akkumulieren oder über mehrere Zyklen der Drehung des Satelliten akkumulieren oder im Falle eines sich nicht drehenden Satelliten die Integrationszeit weiter vergrößern. Dennoch bleibt das erhaltene Signal gering.
- Die Erfindung zielt darauf, die erwähnten Nachteile der Spektrometer des Standes der Technik zu beheben. Sie hat insbesondere das Ziel, ein interferometrisches Verfahren vorzuschlagen, das auf einem Satelliten zur Beobachtung der Erdkugel, des Erdbodens, der Erdatmosphäre oder dergleichen, mitgeführt werden kann und es ermöglicht - in einem gegebenen Spektralband - das einem gegebenen Pixel entsprechende Spektrum zuverlässig zu bestimmen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Analyse sehr schmaler Spektralbänder - mit λ/Δλ in der Größenordnung von 1000 - innerhalb z. B. eines infraroten Spektralfensters.
- Hierfür schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Beobachten eines Objekts mit Hilfe eines Interferometers vor, bei dem ein einfallender Strahl in zwei resultierende Strahlen aufgeteilt wird, indem zwischen ihnen eine Laufstreckendifferenz induziert wird, wobei das Interferometer Detektoren aufweist, um die Interferenzen zwischen den resultierenden Strahlen aufzuzeichnen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- a) Bewegen des Objekts vor dem Interferometer und Aufzeichnen der entsprechenden Interferenzen, wobei das Interferometer unterschiedliche Laufstreckendifferenzen zwischen den resultierenden Strahlen des Objekts in Abhängigkeit vom Fortschreiten der Bewegung erzeugt; und
- b) Wiederholen des Schritts a), wobei die verschiedenen durch das Interferometer zwischen den resultierenden Strahlen des Objekts erzeugten Laufstreckendifferenzen in Abhängigkeit vom Fortschreiten der Bewegung variiert werden.
- Einer bevorzugten Ausgestaltung zufolge umfasst das Interferometer optische Elemente, die dazu dienen, den einfallenden Strahl in zwei resultierende Strahlen aufzuteilen und eine Laufstreckendifferenz zwischen ihnen zu erzeugen, wobei die optischen Elemente zueinander fest sind, und in Schritt b) wird die Veränderung der Laufstrecke erhalten durch Verschieben des vom Objekt einfallenden Strahls am Eingang des Interferometers in einer Richtung quer zur Bewegungsrichtung.
- Einer anderen bevorzugten Ausgestaltung zufolge ist das Interferometer vom Michelson-Typ durch zwei Spiegel beiderseits einer Trenneinrichtung gebildet, wobei die zwei Spiegel und die Trenneinrichtung zueinander fest sind, und in Schritt b) wird die Veränderung der Laufstreckenunterschiede erreicht durch Verschieben des vom Objekt eintreffenden Strahls am Eingang des Interferometers in einer Richtung quer zur Bewegungsrichtung.
- Der eine der zwei Spiegel kann eine Mehrzahl von parallelen, ebenen Oberflächen aufweisen, die in Richtung des auf diesen Spiegel fallenden Strahls versetzt sind, wobei jede der Oberflächen in Beziehung zu dem anderen Spiegel eine andere Laufstreckendifferenz zwischen den resultierenden Strahlen induziert und das Objekt bei jedem Durchlauf nacheinander von jeder der Oberflächen gesehen wird.
- Außerdem kann der eine der zwei Spiegel eine Mehrzahl von planen, parallelen Oberflächen aufweisen, die in Richtung des auf diesen Spiegel fallenden Strahls versetzt sind, wobei jede der Oberflächen in Beziehung zu dem anderen Spiegel eine andere Laufstreckendifferenz zwischen den resultierenden Strahlen induziert und das Objekt bei jedem Durchlauf von einer anderen Oberfläche gesehen wird.
- Vorzugsweise weisen die zwei Spiegel eine Mehrzahl von planen, parallelen Oberflächen auf, die in Richtung des auf diesen Spiegel fallenden Strahls verschoben sind. Jedes Paar aus einer planen Oberfläche des einen der Spiegel und einer planen Oberfläche des anderen Spiegels erzeugt eine andere Laufstreckendifferenz zwischen den resultierenden Strahlen, wobei das Objekt bei jedem Durchlauf von jeder der Oberflächen des einen der Spiegel gesehen wird, und das Objekt bei jedem Durchlauf von einer anderen Oberfläche des anderen Spiegels gesehen wird.
- Einer anderen Ausgestaltung zufolge sind die Detektoren in zwei Dimensionen angeordnet, und jedem Durchlauf entspricht eine andere Untermenge von das Objekt sehenden Detektoren.
- Bei einem gegebenen Durchlauf wird das Objekt vorzugsweise nacheinander von den Detektoren der entsprechenden Untermenge gesehen.
- Die Untermengen von Detektoren können vorteilhafterweise durch zueinander parallele Linien gebildet sein.
- Einem anderen Aspekt zufolge schlägt die Erfindung einen ein Objekt wie etwa eine Zone der Erdkugel beobachtenden Satelliten vor, der gekennzeichnet ist durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- Der Satellit ist vorzugsweise vom sich drehenden Typ, wobei die Drehung des Satelliten den Durchlauf des Objekts vor dem Interferometer bewirkt.
- Der Satellit kann vorteilhafterweise einen Mechanismus aufweisen, der den vom Objekt einfallenden Strahl am Eingang des Interferometers verschiebt, um die Laufstreckenunterschiede in Schritt b) zu variieren.
- Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das nur zur Erläuterung und mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung angegeben wird.
- Fig. 1 zeigt schematisch eine interferometrische Vorrichtung, die das erfindungsgemäße Verfahren verwendet.
- Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf das Detektormosaik der Vorrichtung aus Fig. 1.
- Fig. 3 zeigt schematisch ein Interferometer vom Michelson- Typ, das bei der Durchführung des Verfahrens eingesetzt werden kann.
- Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch das Interferometer der Fig. 3.
- Die Erfindung nutzt das Prinzip der Durchlauf-Fouriertransformationsspektrometer nach dem Stand der Technik. Erfindungsgemäß lässt man jedoch das Objekt mehrere Male vor dem Interferometer durchlaufen, um bei jedem Durchlauf andere Elemente des Interferenzbildes des Objekts aufzufangen. Deshalb können die Fotodetektoren wie etwa CCD-Aufnehmer, die im Stand der Technik eine Leiste - d. h. eine Anordnung der Detektoren auf einer Linie - definierten, in Form eines zweidimensionalen Mosaiks angeordnet sein, das vorzugsweise mehrere benachbarte Detektorzeilen bildet. Man lässt das zu beobachtende Objekt vor dem Interferometer so oft durchlaufen, wie Detektorzeilen vorhanden sind. Bei jedem Durchlauf des zugeordneten Objekts vor dem Interferometer wird ein gleiches Pixel - oder eine zu beobachtende Zone - vorzugsweise, bis auf Ausrichtungsfehler, von einer entsprechenden Detektorzeile gesehen. Genauer gesagt wird bei einem gegebenen Durchlauf des Objekts das gleiche Pixel nacheinander von den Detektoren der entsprechenden Zeile gesehen. Außerdem entspricht jedem der Detektoren des Mosaiks vorzugsweise eine andere Laufstreckendifferenz, die durch das Interferometer zwischen zwei durch Teilen des einfallenden Strahls erhaltenen Strahlen erzeugt wird. Daraus resultiert, dass die nacheinander von den Detektoren jeder Zeile Zeile für Zeile gelieferten Ausgangssignale das gewünschte Interferenzbild liefern. Herkömmlicherweise erlaubt es die Anwendung der Fouriertransformation auf das Interferenzbild, das Spektrum des betreffenden Pixels zu bestimmen.
- Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße interferometrische Vorrichtung. Sie soll auf einem geostationären, sich drehenden Satelliten mitgeführt sein. Sie umfasst eine Pupille 1, durch die der einfallende Strahl I in ein Interferometer 2 eintritt. Das Interferometer teilt den einfallenden Strahl in zwei resultierende Strahlen auf und erzeugt zwischen ihnen eine Laufstreckendifferenz. Die zwei resultierenden Strahlen werden durch eine Linse 3 auf einen gegebenen Fotodetektor eines Fotodetektorenmosaiks 4 fokussiert. Wie in Fig. 1 zu sehen, ist der eintreffende Strahl fokussiert, damit das Pixel nur von einem gegebenen Detektor 4 des Mosaiks zu einem gegebenen Lesezeitpunkt gesehen wird. Diese Fokussierung kann mit einer die Pupille 1 bildenden Kollimationslinse erreicht werden.
- Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf das Detektormosaik 4 aus Fig. 1. Jedes Quadrat stellt einen Detektor des Mosaiks dar. Das Mosaik ist angeordnet in Form einer Matrix mit fünfzehn Zeilen zu je zwanzig Detektoren. Die Zahl von Detektoren ist hier aus Gründen der bequemeren Darstellung auf dreihundert reduziert. Um 1000 Abtastwerte zu erhalten, kann man z. B. auf eine Matrix mit fünfundzwanzig Zeilen zu jeweils vierzig Detektoren zurückgreifen. Jede Detektorzeile ist parallel zur Durchlaufrichtung D des beobachteten Objekts. Die Durchlaufbewegung D wird von der Drehung des Satelliten erzeugt, wobei die Durchlaufbewegung z. B. von Westen (O) nach Osten (E) abläuft. Beim ersten Durchlauf des zugeordneten Objekts - oder bei der ersten Drehung des Satelliten - wird das Pixel nacheinander von den Detektoren der ersten Detektorzeile, aber nicht von den Detektoren der anderen Zeilen gelesen. Dieser erste Durchlauf ermöglicht es also, die zwanzig ersten Elemente des Interferenzbildes aufzunehmen. Beim zweiten Durchlauf des zu beobachtenden Objekts - oder bei der zweiten Drehung des Satelliten - wird das Pixel nacheinander von den Detektoren der zweiten Detektorzeile, nicht aber von den Detektoren der anderen Zeilen gesehen. Dieser zweite Durchlauf erlaubt also, die zwanzig nächsten Elemente des Interferenzbildes aufzunehmen. Dies wird für jede Detektorzeile bis zum fünfzehnten Durchlauf des Objekts wiederholt, wonach das vollständige Interferenzbild aufgenommen ist. Die Anwendung der Fouriertransformation auf das Interferenzbild erlaubt es dann, das Spektrum des betreffenden Pixels zu bestimmen.
- Der Übergang von einer Detektorzeile zur nächsten zwischen zwei Umdrehungen des Satelliten kann durch einen Mechanismus zum Abtasten in Nord-(N)-Süd-(S)-Richtung durchgeführt werden, um den einfallenden Strahl des betreffenden Pixels zu orientieren, so dass die resultierenden Strahlen die nächste Detektorzeile erreichen. Dies kann in bekannter Weise mit einem Spiegel- Abtastmechanismus mit orientierbaren Spiegel erreicht werden, der vor der Pupille 1 angeordnet ist.
- Wie bereits gesagt, entspricht jedem der Detektoren des Mosaiks eine andere durch das Interferometer zwischen zwei durch Aufteilen des einfallenden Strahls erhaltenen Strahlen eingeführte Laufstreckendifferenz. Das Interferometer 2 kann vom veränderten Michelson-Typ sein, der feste Spiegel aufweist. Zur Erläuterung ist in Fig. 1 das Bild 6a - in Form eines Rechtecks - des Detektormosaiks 4 auf dem ersten Spiegel 5a des Interferometers durch die Trennlamelle 7 hindurch dargestellt. Genauso ist das von der Trennlamelle 7 reflektierte Bild 6b des Detektormosaiks 4 auf dem zweiten Spiegel 5b dargestellt. Wie gezeigt, ist der einfallende Strahl auf jeden der Spiegel in einer einem gegebenen Detektor 4 entsprechenden Zone fokussiert, wobei diese Zone mit dem Ost-West-Durchlauf, der mit der Drehung des Satelliten zusammenhängt, und dem Nord-Süd- Inkrement variiert, das von dem vor dem Eingang des Interferometers angeordneten Visiersystem durchgeführt wird. Es ist also die relative Position dieser Zone auf jedem Spiegel 5a und 5b in Bezug auf die Trennlamelle 7, die den Laufstreckenunterschied der resultierenden, am entsprechenden Detektor eintreffenden Strahlen definiert.
- Fig. 3 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines solchen Interferometers, wobei der Buchstabe I den einfallenden Strahl bezeichnet. Das Mosaik von Detektoren 4 ist der Einfachheit halber nicht dargestellt. Jeder der Spiegel 5a und 5b erstreckt sich jeweils von einer Kante der Trennlamelle 7 aus. In dem in Fig. 3 dargestellten orthonormalen Koordinatensystem (x, y, z) ist die Trennlamelle 7 parallel zur y-Achse, und ihre Projektion auf die. (x, z)-Ebene ist eine in Bezug auf die x- und z-Achse unter 45° geneigte Gerade.
- Der Spiegel 5a ist treppenstufenartig geformt. Er umfasst eine Zahl von Treppenstufen entsprechend der Zahl von Detektorzeilen des Mosaiks von Detektoren 4-15 im Beispiel der Fig. 2. Der Einfachheit halber sind nur die vier letzten Stufen - 12 bis 15 - dargestellt. Jede der Stufen - die reflektierend sind - ist parallel zur (x, y)-Ebene. Die Stufen sind in x-Richtung benachbart angeordnet, allerdings auf einem entlang der z-Achse unterschiedlichem Niveau.
- In entsprechender Weise ist der Spiegel 5b treppenstufenartig geformt. Er weist eine Zahl von Treppenstufen auf, die der Zahl von Detektoren 4 in einer gleichen Detektorzeile des Mosaiks - 20 im Beispiel der Fig. 2 - entspricht. Der Einfachheit halber sind nur die fünf letzten Stufen - 16 bis 20 - dargestellt. Jede der Stufen - die reflektierend sind - ist parallel zur (y, z)-Ebene. Die Stufen sind in y-Richtung benachbart angeordnet, allerdings auf einem unterschiedlichen Niveau in x- Richtung.
- Bei einem gegebenen Ost-West-Durchgang des zu beobachtenden Objekts vor dem Interferometer wird ein einzelnes Pixel nur von der entsprechenden Stufe - z. B. der mit 12 bezeichneten Stufe - des Spiegels 5a gesehen. Andererseits wird das gleiche Pixel nacheinander von jeder der Stufen des Spiegels 5b gesehen. Mit anderen Worten geht ein gleiches Pixel in Richtung der y-Achse auf dem Spiegel 5b nacheinander von einer Stufe zur anderen über. Die Höhe der Stufen des Spiegels 5b ist so festgelegt, dass sich jedes Mal die Wegstreckendifferenz um den gewünschten Wert ändert. Beim nächsten Ost-West-Durchgang wird das gleiche Pixel lediglich von der mit 13 bezeichneten Stufe des Spiegels 5a gesehen, die zur vorhergehenden, mit 12 bezeichnete n benachbart ist, und zwar aufgrund des Nord-Süd-Inkrements, das von dem bereits erwähnten Abtastmechanismus bereitgestellt wird. Es wird aber wiederum nacheinander von allen Stufen des Spiegels 5b gesehen. Die Höhendifferenz der Stufe 13 des Spiegels 5a in Bezug auf die mit 12 bezeichnete erlaubt es, eine neue Reihe von Laufstreckendifferenzen in Beziehung zu jeder der Stufen des Spiegels 5b zu erhalten, wobei diese Laufstreckendifferenzen von denen verschieden sind, die mit den anderen Stufen des Spiegels 5a erhalten werden. So erlaubt es die Gesamtheit der Stufen des Spiegels 5a in Beziehung mit denen des Spiegels 5b, die gewünschte Zahl von Beobachtungs- Abtastwerten zu erhalten, von denen jeder mit einer anderen Laufstreckendifferenz aufgenommen ist.
- Einer bevorzugten Ausgestaltung zufolge hat jede Stufe des Spiegels 5a eine gleiche gegebene Höhe in Bezug auf die vorhergehende, so dass im Verhältnis zu einer beliebigen gegebenen Stufe des Spiegels 5b jede Stufe des Spiegels 5a die Laufstreckendifferenz um einen gegebenen Wert D in Bezug auf die vorhergehende Stufe des Spiegels 5a inkrementiert oder dekrementiert. Beim Spiegel 5b hat jede Stufe eine gleiche gegebene Höhe in Bezug auf die vorhergehende, so dass in Bezug auf eine beliebige gegebene Stufe des Spiegels 5a jede Stufe des Spiegels 5b die Laufstreckendifferenz um einen gegebenen Wert D/n in Bezug auf die vorhergehende Stufe des Spiegels 5b inkrementiert oder dekrementiert, wobei n die Zahl der Stufen des Spiegels 5b, in unserem Beispiel also 20, ist. In diesem Fall erlaubt es jede Stufe des Spiegels 5a, ein gegebenes Intervall von Laufstreckendifferenzen der Breite D zu sondieren, und der Spiegel 5b erlaubt, in jedem dieser Intervalle n Abtastwerte mit einer Unterteilungsschrittweite D/n aufzunehmen. Die Zahl von Intervallen mit Laufstreckendifferenzen der Breite D, die untersucht werden, entspricht offensichtlich der Zahl der Stufen des Spiegels 5a, in unserem Beispiel also 15. Als Variante kann der Spiegel 5b eine gegebene Breite eines Laufstreckendifferenzenintervalls D' festlegen, und der Spiegel 5a eine Untersuchung jedes Intervalls mit einer Unterteilungsschrittweite D'/m erlauben - wobei m die Zahl der Stufen des Spiegels 5a, in unserem Beispiel also 15, ist, wobei die Zahl der untersuchten Intervalle dann der Zahl der Stufen des Spiegels 5b entspricht.
- Die Zeilen von Detektoren 4 des Mosaiks sind am Ausgang des Interferometers entsprechend den von den Stufen des Spiegels 5a kommenden Strahlen angeordnet. Außerdem sind die Detektoren 4 des Mosaiks in Spalten entsprechend den Stufen des Spiegels 5b angeordnet. So empfängt jeder Detektor 4 die aus einem einfallenden Strahl I resultierenden Strahlen von einer Stufe des Spiegels 5a in Beziehung zu einer Stufe des Spiegels 5b.
- Fig. 4 zeigt schematisch einen Schnitt durch das Interferometer der Fig. 3 entlang einer zur (x, z)-Ebene parallelen Ebene in Höhe der Stufe 18 des Spiegels 5b. Der einfallende Strahl I des beobachteten Pixels ist beim vierzehnten Durchgang des Objekts vor dem Interferometer dargestellt. Daraus resultiert, dass das Pixel von der mit 14 gekennzeichneten Stufe des Spiegels 5a und infolgedessen von der vierzehnten Zeile von Detektoren 4 des Mosaiks gesehen wird. Außerdem ist die Winkelposition des Satelliten beim West-Ost-Durchlauf zu dem Moment aufgenommen, wo das Pixel von der Stufe 18 des Spiegels 5b gesehen wird. Folglich ist es der achtzehnte Detektor 4 in der vierzehnten Detektorzeile des Mosaiks, der das Pixel mit einer entsprechenden Laufstreckendifferenz sieht. Das Bild des Strahls I ist auch in Fig. 3 als ein schwarzer Fleck auf der Stufe 14 des Spiegels 5a und der Stufe 18 des Spiegels 5b dargestellt.
- Als Variante könnte einer der zwei Spiegel nicht treppenstufenartig, sondern eben sein. In diesem Fall ist die Ebene vorzugsweise so geneigt, dass sie die Kanten der Treppenstufen des betreffenden Spiegels in der vorhergehenden Konfiguration enthält. Das Interferometer kann eine andere Konstruktion aufweisen, sofern es in der Lage ist, in der Brennebene ein Bild so zu erzeugen, dass jedes Pixel mit einer anderen Laufstreckendifferenz gesehen wird, wobei die Bewegung der Vorrichtung in Bezug auf das zu beobachtende Objekt - z. B. am Objekt am Erdboden - in zwei verschiedenen Richtungen es arlaubt, das Bild dieses gleichen Objektes in der Brennebene zu verschieben und so das vollständige Interferenzbild aufzunehmen.
- Die Erfindung hat den Vorteil, dass sie die Länge der Detektorleisten in Folge ihrer Anordnung in zwei Dimensionen reduziert. Die Länge des Mosaiks in der Durchlaufrichtung ist so verringert, dass Ausrichtungsfehler der Detektorzeilen in Bezug auf den Durchlauf des Objekts vernachlässigbar werden, wodurch gewährleistet ist, dass alle Detektoren tatsächlich nacheinander das gleiche Pixel sehen. Außerdem wird die Strahlungsenergie nicht gleichzeitig von einer Mehrzahl von Detektoren, sondern nur von einem einzigen empfangen, was eine ausreichende Energie für eine zuverlässige Erfassung gewährleistet. Das Interferometer aus Fig. 3 hat eine Struktur ähnlich der in FR-A-2 787 186 beschriebenen, wird aber in anderer Weise genutzt. Bei dem Stand der Technik beleuchtet nämlich der einem Pixel entsprechende einfallende Strahl gleichzeitig die Gesamtheit der zwei Spiegel und wird daher von der Gesamtheit des Mosaiks von Detektoren gesehen. Bei der Erfindung hingegen beleuchtet der vom betreffenden Pixel Einfallende Strahl - zu einem gegebenen Lesezeitpunkt - lediglich einen Abschnitt mit der Länge einer einzigen Stufe des ersten Spiegels sowie einen Abschnitt mit der Länge einer einzigen Stufe des zweiten Spiegels, so dass er nur von einem einzigen Detektor gesehen wird. Mit anderen Worten empfängt dieser Detektor die gesamte am Ausgang des Interferometers gelieferte Strahlungsenergie, anstatt nur einen Teil von ihr zu empfangen, wie nach dem Stand der Technik der Fall ist.
- Die Zahl von Abtastwerten, die zum Bestimmen des Spektralbildes durch Anwendung der Fouriertransformation in einen Spektralbereich von 0,5 bis 5 µm erforderlich ist, beträgt z. B. etwa 1000 für eine Feinheit von λ/Δλ in der Größenordnung von 1000 (das ganze Fenster von 0 bis 5 µm wird so wiedergegeben). Wenn man jedoch sehr schmale Spektralbänder untersuchen will - mit λ/Δλ in der Größenordnung von 1000 - innerhalb eines Infrarotspektralfensters zwischen 4 und 5,5 µm, kann man die Zahl der Abtastwerte auf 300 reduzieren. Es ist nämlich möglich, das Spektralbild durch Rückgriff auf Übermodulationstechniken zuverlässig zu bestimmen. In diesem Fall umfasst das Mosaik von Detektoren also dreihundert Detektoren, die z. B. in fünfzehn Zeilen zu je zwanzig Detektoren angeordnet sein können, wie in. Fig. 2 dargestellt. Der Vorteil ist offensichtlich, dass die Länge des Mosaiks in Durchlaufrichtung weiter verringert ist, was das System noch weniger empfindlich gegen Ausrichtungsfehler der Detektorzeilen zur Durchlaufrichtung macht.
- Im Fall eines geostationären Satelliten kann man vorteilhaft ein Pixel von 12 km Breite - der Breite des Beobachtungsstreifens - anwenden, da dies einen guten Kompromiss zwischen der Entfernung des Satelliten vom Boden und der Notwendigkeit, das Vorhandensein von Wolken zu vermeiden, darstellt, da die Wahrscheinlichkeit, keine Wolken zu haben, zunimmt, wenn die Größe des Pixels abnimmt.
- Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen und dargestellten Beispiele und Ausgestaltungen beschränkt, sondern eignet sich zu zahlreichen dem Fachmann zu Gebote stehenden Abwandlungen. So kann der Durchlauf des Satelliten in Richtung von Osten nach Westen anstatt von Westen nach Osten sein. Allgemeiner ist das erfindungsgemäße Spektrometer nicht nur auf sich drehenden geostationären Satelliten, sondern auch auf Satelliten auf niedrigen Umlaufbahnen oder sich nicht drehenden Satelliten anwendbar.
Claims (8)
1. Verfahren zum Beobachten eines Objekts mit Hilfe eines
Interferometers (1, 2, 3), in welchem ein einfallender
Strahl (I) in zwei resultierende Strahlen aufgeteilt und
dabei eine Laufstreckendifferenz zwischen diesen erzeugt
wird, wobei das Interferometer Detektoren (4) zum
Aufzeichnen der Interferenzen zwischen den resultierenden
Strahlen umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte
umfasst:
a) Durchlauf des Objekts vor dem Interferometer (1,
2, 3) und Aufzeichnen der entsprechenden
Interferenzen, wobei das Interferometer
unterschiedliche Laufstreckendifferenzen
zwischen den resultierenden Strahlen vom Objekt
in Abhängigkeit vom Fortschreiten des Durchlaufs
erzeugt; und
b) Wiederholen des Schritts a), wobei die
verschiedenen von dem Interferometer zwischen
den resultierenden Strahlen des Objekts
erzeugten Laufstreckendifferenzen in
Abhängigkeit vom Fortschreiten des Durchlaufs
variiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Interferometer (1, 2, 3) optische Elemente (5a, 5b, 7)
umfasst, die dazu dienen, den einfallenden Strahl (I) in
zwei resultierende Strahlen aufzuteilen und eine
Laufstreckendifferenz zwischen ihnen zu induzieren, wobei
die optischen Elemente zueinander fest angeordnet sind,
und dass in Schritt b) die Veränderung der
Laufstreckendifferenzen erreicht wird durch Verschieben
des vom Objekt einfallenden Signals am Eingang des
Interferometers in einer Richtung quer zur
Durchlaufrichtung.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Interferometer ein Interferometer vom Michelson-Typ
ist, das durch zwei Spiegel (5a; 5b) beiderseits einer
Trennvorrichtung (7) gebildet ist, wobei die zwei Spiegel
und die Trennvorrichtung zueinander fest sind, und dass in
Schritt b) die Veränderung der Laufstreckenunterschiede
erreicht wird durch Verschieben des vom Objekt
einfallenden Strahls am Eingang des Interferometers in
einer Richtung quer zur Durchlaufrichtung.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
einer der zwei Spiegel (5b) eine Mehrzahl von planen,
parallelen Oberflächen aufweist, die in Richtung des auf
diesen Spiegel fallenden Strahls versetzt sind, wobei jede
der Oberflächen in Beziehung zum anderen Spiegel eine
andere Laufstreckendifferenz zwischen den resultierenden
Strahlen erzeugt, und wobei das Objekt nacheinander von
jeder der Oberflächen bei jedem Durchlauf gesehen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
einer der zwei Spiegel (5a) eine Mehrzahl von planen,
parallelen Oberflächen aufweist, die in Richtung des auf
diesen Spiegel fallenden Strahls versetzt sind, wobei jede
der Oberflächen in Beziehung zum anderen Spiegel eine
andere Laufstreckendifferenz zwischen den resultierenden
Strahlen erzeugt, und wobei das Objekt bei jedem Durchlauf
von einer anderen Oberfläche gesehen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die zwei Spiegel (5a, 5b) jeweils eine Mehrzahl von
planen, parallelen Oberflächen aufweisen, die in Richtung
des auf diesen Spiegel fallenden Strahls versetzt sind,
wobei jedes aus einer planen Oberflächen eines der Spiegel
(5a) und einer planen Oberfläche des anderen Spiegels (5b)
gebildete Paar eine andere Laufstreckendifferenz zwischen
den resultierenden Strahlen erzeugt, und bei dem:
das Objekt nacheinander von jeder der Oberflächen eines der Spiegel (5b) bei jedem Durchlauf gesehen wird, und
das Objekt von einer unterschiedlichen Oberfläche des anderen Spiegels (5a) bei jedem Durchlauf gesehen wird.
das Objekt nacheinander von jeder der Oberflächen eines der Spiegel (5b) bei jedem Durchlauf gesehen wird, und
das Objekt von einer unterschiedlichen Oberfläche des anderen Spiegels (5a) bei jedem Durchlauf gesehen wird.
7. Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6
dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoren in zwei
Dimensionen angeordnet sind, und dass jedem Durchlauf eine
unterschiedliche Untermenge von das Objekt sehenden
Detektoren (4) entspricht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
bei einem gegebenen Durchlauf das Objekt nacheinander von
den Detektoren (4) der entsprechenden Untermenge gesehen
wird.
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