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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Detektieren eines sich bewegenden Objekts (eines sich bewegenden
Himmelskörper,
wie. eines künstlichen
Himmelskörpers,
Weltraummüll,
eines Asteroiden, eines Kometen u.ä.) und betrifft insbesondere
ein Verfahren zum Detektieren eines sich bewegenden Objekts, indem (1)
ein künstlicher
Himmelskörper,
wie ein kleiner dunkler künstlicher
Satellit usw. überwacht
wird und dessen Orbit bestimmt wird, oder (2) Weltraummüll entdeckt
wird, welcher größeren Schaden
verursachen würde, wenn.
er mit einem ausgesetzten künstlichen
Satelliten o.ä.
kollidieren würde,
und dessen Orbitbahn bestimmt wird, oder (3) in einem frühen Stadium
ein Asteorid oder Komet entdeckt wird, welcher im Falle einer Kollision mit
der Erde in gefährlicher
Weise auf menschliche Einrichtungen/Industrieunternehmen einwirken
könnte oder
sogar eine Bedrohung für
die Existenz der menschlichen Rasse darstellen könnte und dessen Orbit bestimmt
wird.
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Anhand von 8 wird ein herkömmliches Verfahren zum Detektieren
eines sich bewegenden Himmelskörpers
erläutert.
Die Beobachtungsbilder (1-1) und (1-2) in 8 sind Bilder desselben Himmelsbereichs über einen
bestimmten Zeitabschnitt in der Reihenfolge (1-1), (1-2). Die Objekte 1 bis 9 im
Bild (1-1) und die Objekte 1' bis 9' im
Bild (1-2) sind Bilder von Fixsternen, und die entsprechenden Objekte 1 und 1', 2 und 2' bis 9 und 9' stellen
dieselben Fixsterne dar. Das Objekt 10 im Bild (1-1) und
das Objekt 10' im Bild (1-2) stellt jeweils einen sich
bewegenden Himmelskörper
dar; hieraus kann ersehen werden, dass ein derartiges Objekt sich
am Himmel während
der Dauer der Bildaufnahme bewegt hat.
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Bei dem herkömmlichen Verfahren zum Detektieren
eines sich bewegenden Himmelskörpers
werden zwei durch eine Bildaufnahme erhaltenen Bilder analysiert,
und die Himmelskörper,
welche in beiden Bildern wiedergegeben sind, werden identifiziert
und katalogisiert (siehe die Kataloge (1-1D) und (1-2D) in 8). Die Kataloge enthalten
entsprechende Information, wie Position und Helligkeit ('Mag') der
Himmelskörper 1 bis 10 bzw. 1' bis 10'.
Durch Vergleichen dieser beiden Kataloge und Detektieren eines Himmelskörperpaars,
das sich in den beiden Bildern nicht an derselben Position befindet,
kann festgestellt werden, dass ein sich bewegender Himmelskörper 10, 10' existiert.
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Da in den letzten Jahren ladungsgekoppelte
Elemente (CCDs) größer geworden
sind, ist der Himmelabschnitt, der auf einem aufgenommenen Bild
beobachtet werden kann, ganz beachtlich größer geworden. Obwohl die Wahrscheinlichkeit,
einen sich bewegenden Himmelskörper
ausfindig zu machen, größer geworden
ist, ist im Ergebnis auch die Anzahl an Fixsternen, welche zum Rauschen
beitragen, insoweit als das Detektieren eines sich bewegenden Himmelskörper betroffen
ist, ebenfalls größer geworden,
und diese Anzahl geht in mehrere Zehntausend.
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Das Detektieren von sich bewegenden
Himmelskörpern
inmitten dieses großen
Hintergrundrauschens ist äußerst schwierig.
Darüber
hinaus können,
da sich ein Himmelskörper
in den Bildern bewegt, zuverlässige Ergebnisse
nicht erhalten werden, wenn ein dunkler, sich bewegender Himmelskörper zu
detektieren ist, selbst wenn eine Methode, Fixsterne zu beobachten,
angewandt wird, bei welcher die Belichtungsdauer verlängert wird,
so dass das Licht von einem Himmelskörper an einer ganz bestimmten
festen Stelle in dem Bild akkumuliert wird.
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Die effektive Belichtungsdauer ist
die Dauer, während
welcher der sich bewegende Himmelskörper an einem Punkt auf dem
Bild verbleibt, und die begrenzende Größe wird durch den Durchmes ser
des Teleskops, das zur Beobachtung verwendet worden ist, sowie durch
die Quantenausbeute der CCD bestimmt.
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Die Erfinder haben bereits ein Verfahren
vorgeschlagen; bei welchem die Bilder von großen hellen Lichtquellen entfernt
werden, welche das Detektieren eines sich bewegenden Objekts behindern,
welches sich in einer Richtung und mit einer Geschwindigkeit bewegt
und mit einem Beobachtungssystem detektiert werden kann, bei welchem
eine Anzahl Bilder verwendet wird und welches das Detektieren eines
sich bewegenden Objektes ermöglicht,
welches zu dunkel ist, um mit einem einzigen Beobachtungsbild detektiert
zu werden. Mit diesem Verfahren könnte ein sich bewegendes Objekt,
das zu dunkel ist, um detektiert zu werden, offensichtlich dadurch
detektiert werden, dass die Wirkung heller Lichtquellen, wie Fixsterne,
beseitigt wird und das Hintergrundrauschen dadurch unterdrückt wird,
dass die Mittelwerte jedes Pixelwerts von Bildausschnitten berechnet
werden, welche aus einer Anzahl Bilder ausgeschnitten wurden.
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Da jedoch die hellen Lichtquellen
(Fixsterne) eine Streubreite in Form eines zentralen Teils und eines peripheren
Teils auf den Bildern haben und es auch einen Verlust an Pixel gibt,
welche Pixelwerte und Bilder von dunklen Fixsterne zurücksenden,
rufen Bilder dieser Sterne einen signifikanten Einfluss bei der
Mittelwert-Berechnung von Pixelwerten von Bildausschnitten hervor.
Folglich gibt es noch Raum hinsichtlich einer Verbesserung in der
Weise, dass der Einfluss dieser Sterne reduziert wird und die dunklen
sich bewegenden Körper
genau und effektiv detektiert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen und ein Verfahren zum Detektieren
eines sich bewegenden Objektes zu schaffen, bei welchem ein sich
bewegendes Objekt, das sich in einer Richtung und mit einer Geschwindigkeit
bewegt, detektiert wird, indem ein Mittelwert jedes Bild einer Anzahl
Bilder verwendet wird, welche mit einem Beobachtungssystem (beispielsweise
Teleskop oder eine CCD-Kammer) erhalten worden sind, wobei die Einflüsse von
großen
hellen Lichtquellen (im Fall von Himmelskörpern, Fixsternen), welche
das Detektieren behindern, dunkle Fixsterne und Pixel, welche keine
Pixelwerte abgeben und verloren gegangen sind, wirksam eliminiert
werden und ein sich bewegendes Objekt, das zu dunkel ist, um mit
einem einzigen Beobachtungsbild aufgefunden zu werden, effektiv
detektiert werden kann.
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Um dies zu erreichen, werden gemäß der Erfindung
bei einem Verfahren, um aus einer Anzahl Beobachtungsbilder ein
sich bewegendes Objekt zu detektieren, da sich auf den Beobachtungsbildern
bewegt, die folgenden Schritte durchgeführt:
Es wird die Bewegung
des sich bewegenden Objekts in mindestens drei der Beobachtungsbilder
postuliert; ein Teil der Beobachtungsbilder wird entsprechend der
postulierten Bewegung ausgeschnitten; es werden Mittelwert-Bilder
von den Mittelwerten geschaffen, die basierend auf Pixelwerten in
einem bestimmten Bereich gefunden wurden, in welchem die singulären Werte
bezüglich
jedes Pixels entfernt worden sind, das die identische Pixelposition
in der Anzahl Bildausschnitte einnehmen, und es werden Bilder erhalten,
in welchen nur das Bild des sich bewegenden Objekts mit der postulierten
Bewegung übrig
gelassen wird.
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Wenn gemäß der Erfindung Mittelwert-Bilder(median
value pictures) erzeugt werden, indem Bildausschnitte, welche der
Bewegung eines sich bewegenden virtuellen Bildes entsprechen, aus
einer Anzahl von Beobachtungsbildern verwendet werden, die Mittelwert-Bilder
mit einem reduzierten Einfluss von Pi xelwerten, die singuläre Werte
anzeigen, erzeugt werden, indem im voraus die Bilder von großen hellen
Lichtquellen (im Falle von Himmelskörpern einschließlich den
zentralen Bereichen von Fixsternen und deren periphere Bereiche),
dunkle Fixsterne und Pixel eliminiert werden, die keine Pixelwerte
abgeben und verloren gegangen sind, wenn Mittelwerte berechnet werden,
werden die Einflüsse
der Bilder von großen
hellen Lichtquellen (im Falle von Himmelskörpern, Fixsternen), dunkle
Bilder und die verlorenen Pixel, die keine Pixelelemente abgeben, welche
als Rauschen beim Detektieren eines sich bewegenden Bildes dienen,
wirksam eliminiert und ein sich bewegendes Objekt, das zu dunkel
wird, um mit einem einzigen Beobachtungsbild erfasst zu werden,
wird effektiv detektiert. Eine solche Bildverarbeitung, bei der
singuläre
Werte entfernt werden, macht es möglich, den Detektionsgrenzwert
von sich bewegenden Körpern
anzuheben und den Quotienten an fehlerhaften Detektionen stark zu
reduzieren.
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Bei einem derartigen Verfahren zum
Detektieren eines sich bewegenden Körpers kann der vorerwähnte sichere
Bereich als ein erster Bereich eingestellt werden, der basierend
auf dem Hintergrund-Rauschpegel festgestellt worden ist und als
dessen Zentrum den Mittelwert des Hintergrunds in dem Bildausschnitt
hat. Durch Einstellen des ersten Bereichs kann der Einfluss der
zentralen Bereiche von hellen Sternen und Pixeln, von denen keine
Pixelwerte zurückkommen,
reduziert werden.
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Ferner kann der sichere Bereich auch
als ein zweiter Bereich eingestellt werden, der als ein schmaler Bereich
erhalten worden ist, welcher schmaler als der erste Bereich ist
und festgelegt wird, indem ein Mittelwert und eine Standardabweichung
von der Anzahl Pixel mit Pixelwerten in dem ersten Bereich gefunden
wird und ein schmaler Bereich basierend auf der Standardabweichung
um den Mittelwert als ein Zentrum festgelegt wird, oder als ein
noch schmalerer Bereich, der erhalten wird, indem die Operation
wiederholt wird, den vorerwähnten
schmalen Bereich bei einer Anzahl Pixel mit Pixelwerten in dem schmalen
Bereich zu finden. Das Einstellen des zweiten Bereichs macht es
möglich,
den Einfluss von peripheren Teilen von hellen Sternen sowie den
Einfluss von dunklen Sternen zu reduzieren.
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Bei dem Verfahren zum Detektieren
eines sich bewegenden Objektes kann ein Durchschnittswert-Bild (an
average value picture) der Anzahl der Mittelwert-Bilder erzeugt
werden, so dass ein Bild erhalten werden kann, in dem nur das Bild
des sich bewegenden Objekts, für
welches die Bewegung postuliert wurde, übrig gelassen und hervorgehoben
wird. Mit anderen Worten, ein sich bewegendes dunkles Objekt, das
nicht mit einem einzigen Beobachtungsbild detektiert werden kann,
kann dadurch detektiert werden, dass das Verhältnis Rauschen zu Lichtmenge
von dem sich bewegenden Objekt wesentlich reduziert wird.
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Bei dem Verfahren zum Detektieren
eines sich bewegenden Objektes kann die postulierte Bewegung des
sich bewegenden Objekt für
eine Bewegung gehalten werden, die eine Richtung und Geschwindigkeit
hat, die mit Hilfe des bei diesem Verfahren verwendeten Beobachtungssystem
detektiert werden kann; auf diese Weise können viele dunkle sich bewegende
Objekte, die sich in den Beobachtungsbildern bewegen, detektiert werden.
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Bei dem Verfahren zum Detektieren
eines sich bewegenden Objekts kann, indem der Beobachtungsbereich
ein Himmelsregion ist, ein sich bewegender Himmelskörper, wie
ein künstlicher
Himmelskörper,
Weltraummüll,
ein Asteroid oder ein Komet, als ein sich bewegendes Objekt detektiert
werden. Obwohl die Bil der von Fixsternen in großer Anzahl als helle Lichtquellen
in den Beobachtungsbildern der Himmelsregion erscheinen, können mit
Hilfe dieses Detektionsverfahren die zahlreichen Bilder von Fixsternen,
welche die Detektion eines sich bewegenden Himmelskörpers stark
behindern, vollständig
eliminiert werden, indem der Grenzwert der sich bewegenden Himmelskörper erniedrigt
wird, um es so möglich
zu machen, mehr dunklere Himmelskörper zu detektieren und es
können
nur die Bilder des sich bewegenden Himmelskörper übrig gelassen oder hervorgehoben
werden, um das fehlerhafte Detektions-Verhältnis zu reduzieren.
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Bei Durchführen einer Verarbeitung gemäß der Erfindung
können
ferner bezüglich
jedes von vielen sich bewegenden Himmelskörpern nicht nur das sich bewegende
Objekt, das beobachtet wird, sondern auch andere Himmelskörper, die
sich in einer Art und Weise bewegen, welche derjenigen des beobachteten
Himmelskörper ähnlich ist,
detektiert werden. Zusätzlich
können
derartige Einflüsse
von sich bewegenden Körpern auch über die
Durchschnittswert-Verarbeitung hinaus hervorgehoben werden und durch
Kombinieren von vielen Bildern, die durch dieses Verfahren erhalten
worden sind, können
sich bewegende dunkle Objekte, die unter den Grenzwert eines Beobachtungssystems
fallen, das solche Objekte mit Hilfe der herkömmlichen Detektionsverfahren
nicht identifizieren kann, automatisch identifiziert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann wesentlich
zum Entdecken und orbitalen Bestimmen von Weltraummüll beitragen,
welcher einen Durchmesser von wenigen Zentimetern bis mehrere zehn
Zentimeter haben kann und welcher gegenwärtig schwer aufzufinden ist
und welcher darüber
hinaus stark im Betrieb befindliche künstliche Satelliten und die
derzeit im Bau befindliche internationale Raumstation beschädigen könnte. Fer ner
ermöglicht
es auch die frühzeitige
Entdeckung von Asteroiden und Kometen, die einen Durchmesser von
wenigen hundert Metern bis zu einem Kilometer haben können, und
die im Falle einer Kollision mit der Erde menschliches Leben beeinflussen
oder sogar das Überleben
der menschlichen Rasse gefährden
würden.
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Bei dem Verfahren zum Detektieren
eines sich bewegenden Objektes könnte
auch daran gedacht werden, Bilder von demselben Beobachtungsbereich
aufzunehmen, wobei als ein Beobachtungssystem eine CCD-Kamera verwendet,
d.h. eine Technologie eingesetzt wird, die in den letzten Jahren
ganz erheblich verbessert und verfeinert worden ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
der Zeichnungen im einzelnen erläutert.
Es zeigen:
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l eine
grundlegende Darstellung, um die Art und Weise zu erläutern, wie
Bilder von Fixsternen durch Schaffen eines Mittelwert-Bildes gemäß der Erfindung
eliminiert werden;
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2 eine
Darstellung einer Verarbeitungsfolge, die bis zu dem Punkt durchgeführt wird,
an welchem ein Durchschnittswert-Bild gemäß der Erfindung erzeugt wird;
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3 eine
Darstellung eines Geschwindigkeitsvektorbereichs für einen
sich bewegenden Himmelskörper,
der gemäß der Erfindung
zu scannen ist;
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4-A und 4-B eine Darstellung des Unterschieds in
der Größe und der
Bewegungsrichtung der Bildausschnitte basierend auf den Differenzen
zwischen den Geschwindigkeitsvektoren für den sich bewegenden Himmelskörper;
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5-A und 5-B ein Beispiel eines Bildes, das mit
Hilfe des Verfahrens zum Detektieren eines sich bewegenden Himmelskörpers gemäß der Erfindung
erhalten worden ist;
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6 ein
Ablaufdiagramm einer Verarbeitung, durch welche die Pixelwerte,
die singuläre
Werte anzeigen, beseitigt werden, wenn die Mittelwert-Bilder in
dem Verfahren zum Detektieren eines sich bewegenden Himmelskörper gemäß der Erfindung
gefunden werden;
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7 den
grundsätzlichen
Prozess zum Übernehmen/Ausscheiden
und Auswählen
der Pixelwerte mit Hilfe von ersten und zweiten Bereichen bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren
und
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8 eine
Darstellung, anhand welcher das herkömmliche Verfahren zum Detektieren
eines sich bewegenden Himmelskörpers
erläutert
wird.
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Gemäß der Erfindung kann ein sich
bewegendes Objekt detektiert werden, das sich in einer Richtung mit
einer Geschwindigkeit bewegt und das zu dunkel ist, um mit Hilfe
eines einzigen Beobachtungsbildes aufgefunden zu werden, so dass
eine Anzahl aufgenommener Beobachtungsbilder über das verwendete Beobachtungssystem,
wie ein Teleskop oder eine CCD-Kamera verwendet werden und Bilder
von hellen Lichtquellen eliminiert werden, die in großer Anzahl
vorhanden sind und die Detektion des sich bewegenden Objekts behindern.
In den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen wird die durchgeführte Verarbeitungsfolge, wenn
die Operation zum Detektieren eines sich bewegenden Objektes gemäß der Erfindung
durchgeführt wird,
um ein dunkles sich bewegendes Objekt in einer Himmelsregion zu
detektieren, die als der Beobachtungsbereich betrachtet wird. Diese
Verarbeitungsfolge ist prinzipiell in drei Schritte unterteilt:
- (1) Im vorhinein Einschätzen der Bewegung des sich
bewegenden Himmelskörpers,
Erzeugen eines Mittelwert-Bilds aus einer Vielzahl Beobachtungsbilder
und Eliminieren der Bilder von Fixsternen, welche das Auffinden
des sich bewegenden Himmelskörpers
behindern;
- (2) Erzeugen einer Anzahl Mittelwert-Bilder mit Hilfe des in
dem vorstehenden Abschnitt (1) beschriebenen Verarbeitungsschritts,
Erzeugen eines Durchschnittswert-Bildes aus den Mittelwert-Bildern
und Extrahieren des dunklen sich bewegenden Himmelskörpers, der
aus einem einzigen Beobachtungsbild nicht aufgefunden werden kann,
und
- (3) Durchführen
der Verarbeitungsschritte gemäß den Abschnitten
(1) und (2) für
verschiedene mögliche Bewegungen
von sich bewegenden Himmelskörpern.
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Die Verarbeitungsschritte (1)
bis (3) werden nunmehr anhand der Zeichnungen erläutert.
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Der Verarbeitungsschritt (1)
betrifft eine Ausführungsform
der Erfindung und bei ihm werden Mittelwert-Bilder aus einer Anzahl
von Beobachtungsbildern erzeugt und Bilder von Fixsternen eliminiert,
welche die Detektion des sich bewegenden Himmelskörpers behindern.
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Bei dem Verarbeitungsschritt (1),
bei welchem Bilder von Fixsternen durch das Erzeugen von Mittelwert-Bildern
eliminiert werden, werden zuerst, wie in l dargestellt, die Bilder 1-1, 1-2 und
1-3, welche Beobachtungsbilder desselben Bereichs sind, in bestimmten
Zeitintervallen in numerischer Reihenfolge aufgenommen, wie auf
der Zeitachse dargestellt ist. In den Bildern 1-1 bis 1-3 stellen
die Sternsymbole Fixsternen dar und das schwarze Kreissymbol stellt
einen sich bewegenden Himmelkörper
dar. Die Bewegung des sich bewegenden Himmelskörpers wird vorausgesetzt (postuliert).
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Als nächstes werden die Bilder 2-1,
2-2 und 2-3 der Bereiche, die der Bewegung des postulierten, sich bewegenden
Himmelskörpers
in der Anzahl Bilder 1-1 bis 1-3 entsprechen, die in bestimmten
Zeitintervallen aufgenommen sind (wobei die Bereiche durch gestrichelte
Linien in l umrandet
sind) aus der Vielzahl Bilder ausgeschnitten. Wenn es sich ergibt,
dass sich ein tatsächlicher
Himmelskörper
gerade als das postulierte Objekt in allen Bildern 2-1 bis 2-3 bewegt,
ist der sich bewegende Himmelskörper
in derselben Position vorhanden, die Positionen der Fixsterne sind
aber in jedem Bild verschieden.
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Ein Mittelwert-Bild 3-1 wird dann
dadurch erzeugt, dass ein Mittelwert bezüglich jedes Pixel in jedem der
Bildausschnitte 2-1 bis 2-3 hergeleitet wird. Während der Durchschnittswert
ein Wert ist, der in gleicher Weise die Werte der Pixel in allen
Bildausschnitten berücksichtigt,
ist der Mittelwert ein Wert, bei welchem Werte, die das beobachtete
Pixel in allen Bildausschnitten berücksichtigen, in numerischer
Reihenfolge angeordnet werden, und der Wert, der in der Mitte dieser
Werte positioniert ist, wird als Datenwert ausgewählt und
ist ein Wert, der keine Beziehungen zu einem Pixelwert hat, der
einen spezifischen Wert aufweist (d.h. einen Wert, der einem hellen
Fixstern entspricht). Mit anderen Worten, durch Herleiten des Mittelwerts
kann der Einfluss der singulären
Werte reduziert werden (d.h. die Einflüsse der Fixsternbilder sind
eliminiert). Darüber
hinaus kann das Hintergrundrauschen stark reduziert werden. (Das
Hintergrundrauschen nimmt mit, der Potenz einhalb der Anzahl an
verwendeten Bildern ab.)
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In der Darstellung der Pixelanordnung
der l, welche die Pixelanordnung
für die
Bildausschnitte zeigt, stellt ein Kästchen ein Pixel dar. Nunmehr
wird die Aufmerksamkeit auf die Pixel gerichtet, die sich beispielsweise
an den Pixelpositionen F und M in jedem der Bilder 2-1 bis 2-3 befinden.
Der Einfachheit halber wird den Pixel, an welchen ein Himmelkörper vorhanden
ist, ein Pixelwert '1' zugeordnet, und den Pixels, an welchen kein
Himmelskörper
vorhanden ist, wird der Wert '0' zugeordnet. In den Bildausschnitten
2-1 bis 2-3 ist ein Fixstern in dem Pixel vorhanden, das der Position
F in dem Bild 2-2 entspricht. Mit anderen Worten, die Pixelwerte
für die
Position F in den jeweiligen Zeichnungen sind '0', '1' und '0' und
der Mittelwert ist '0'.
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Andererseits ist ein sich bewegender
Himmelskörper
in dem Pixel vorhanden, das der Position M in jedem der Bildausschnitte
entspricht. Mit anderen Worten, die Pixelwerte an der Position M
sind '1', '1' und '1' und der Mittelwert ist '1'. Durch Herleiten
eines Mittelwerts wird der Einfluss der Fixsterne, die sich in den
Bildausschnitten bewegen, eliminiert und es kann nur der sich bewegende
Himmelskörper übrig bleiben.
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In dem in Verbindung mit dieser Ausführungsform
beschriebenen Beispiel werden drei Beobachtungsbilder 1-1 bis 1-3
verwendet, um das Mittelwert-Bild 3-1 zu erzeugen; es ändert sich
aber die Zahl an verwendeten Beobachtungsbilder in Abhängigkeit
von der Anzahl an Fixsternen, die zu dem Bildrauschen beitragen. Wenn
viele Fixsterne in dem Bild enthalten sind, muss, um deren Einfluss
zu eliminieren, ein Mittelwert-Bild mit Hilfe einer größeren Anzahl
von Bildern erzeugt werden.
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Der Verarbeitungsschritt (2)
betrifft in der Ausführungsform
den nächsten
Schritt gemäß der Erfindung. Bei
diesem Verarbeitungsschritt wird ein Durchschnittswert-Bild mit
Hilfe einer Vielzahl von Mittelwert-Bildern erzeugt, welche bei
dem Verarbeitungsschritt (1) erhalten worden sind; hierdurch
ist das Ausscheiden eines dunklen sich bewegenden Himmelskörper ermöglicht,
der mit einem einzigen Beobachtungsbild nicht aufgefunden werden
kann.
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Anhand der Darstellung in
2 wird der Verarbeitungsschritt
(
2) bis zu dem Punkt erläutert, an welchem ein Durchschnittswert-Bild
erzeugt wird. Durch Herleiten von Mittelwerten bei dem Verarbeitungsschritt (
1)
wird der Einfluss von Fixsternen eliminiert und zusätzlich zu
diesem Einfluss wird der Einfluss von Hintergrundrauschen auf die
Helligkeit des Nachthimmels und nicht infolge von Fixsternen auch
noch reduziert, so dass der sich bewegende dunkle Himmelskörper aufgefunden
werden kann. Wenn der Wert des Hintergrundrauschens, wenn die Mittelwerte
hergeleitet werden (das Hintergrundrauschen in dem Mittelwert-Bild
) mit σ
m bezeichnet ist, wird σ
m durch
die folgende Gl. (1) dargestellt:
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Hierbei ist mit σi das
Hintergrundrauschen für
ein Beobachtungsbild bezeichnet, der Koeffizient 1,2 ist ein statistisch
hergeleiteter Wert und n ist die Anzahl Beobachtungsbilder, die
verwendet werden, um ein Mittelwert-Bild zu erzeugen.
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Jedoch ist im allgemeinen der Durchschnittswert
effektiver beim Unterdrücken
von Hintergrundrauschen als der Mittelwert. Wenn der Wert des Hintergrundrauschens,
wenn die Durchschnittswerte hergeleitet werden (das Hintergrundrauschen
im Durchschnittswert-Bild) mit σ
a bezeichnet ist, lässt sich σ
a durch
die folgende Gl.(2) darstellen:
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Wie aus den Gl.'en (1) und (2) zu
ersehen ist, kann, wenn das Durchschnittswert-Bild erzeugt wird,
ein sich bewegender Himmelskörper
mit einem Dunkelheitswert, der im Vergleich zu dem Mittelwert-Bild
dem 1,2-fachen entspricht, detektiert werden.
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Um den Detektionsgrenzwert zu erhöhen, wird
in dieser Ausführungsform
der Einfluss von Fixsternen dadurch eliminiert, dass Mittelwert-Bilder
3-1, 3-2,..., 3-k aus der Anzahl Beobachtungsbilder, die auf dem
Verarbeitungsschritt (1) der vorherigen Ausführungsform
basieren, erzeugt werdend um einen dunkleren sich bewegenden Himmelskörper aufzufinden,
wird anschließend
ein Durchschnittwert-Bild 4-1 aus der Anzahl von erzeugten Mittelwert-Bildern
3-1 bis 3-k erzeugt. Mit anderen Worten, in dem Durchschnittwert-Bild
4-1 wird hinsichtlich Teilen, in welchen ein sich bewegender Himmelskörper nicht
vorhanden ist, selbst wenn einige der Bilder hell sind, das Durchschnittswert-Bild
dunkel, während
bezüglich
Teilen, in welchen ein sich bewegender Himmelskörper vorhanden ist, da ein
Durchschnitt von den Bildern genommen wird, in welchen der sich
bewegende Himmelskörper
vorhanden ist, solche Teile bezüglich
der Teile aufgehellt werden, in welchen kein sich bewegender Himmelskörper vorhanden
ist.
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Um in dieser Ausführungsform effektiver einen
dunklen sich bewegenden Himmelskörper
zu detektieren, werden bevorzugt die Einflüsse von zentralen und peripheren
Teilen von hellen Sternen, für
welche ein singulärer
Wert existiert von dunklen Fixsternen und von Pixeln, bei welchen
infolge von Pixelverlustes kein Wert zurückkommt, reduziert, indem die
Mittelwerte für
jedes Pixel berechnet werden, wenn die vorerwähnten Mittelwert-Bilder gefunden
sind. Die Verarbeitung, bei wel cher ein maximal mögliches
Entfernen von Pixeln mit diesem negativen Einfluss angestrebt wird,
wird entsprechend dem in 6 dargestellten
Ablaufdiagramm durchgeführt.
Bei dieser Verarbeitung wird zuerst der Mittelwert der Hintergründe der
Bildausschnitte gefunden (Schritt 1, der mit "S1" abgekürzt ist; ähnliche
Abkürzungen
werden auch nachfolgend verwendet). Für identische Pixel (die Pixel
an denselben Pixelpositionen) in allen Bildausschnitten wird entschieden,
ob der Absolutwert der Differenz zwischen dem Pixelwert Ii und dem
Hintergrund-Mittelwert C1, der beim Schritt S1 gefunden worden ist,
kleiner ist als ein bestimmtes Vielfaches des Hintergrundrauschpegels
(Standardabweichung σm). Nur Pixel mit Werten in diesem Bereich
(dem ersten Bereich W1) werden verwendet, und Pixel mit Werten außerhalb
dieses Bereichs werden ignoriert (S2). Die Standardabweichung σm wird
aus der Gl.1 erhalten, die auf der Anzahl Bildausschnitte (n) basiert.
Gestützt
auf Erfahrung, und um die Berechnung zu vereinfachen, ist dieses
Vielfache beispielsweise vorzugsweise ein Vielfaches von acht. Bei
der Verarbeitung entsprechend der Schritten S1 und S2 werden, wenn
Mittelwerte berechnet werden, zentrale Bereiche von hellen Sternen
und Werte von Pixeln, bei denen ein Wert infolge eines Pixelverlustes
nicht zurückkommt,
im vorhinein eliminiert und der Einfluss dieser Pixel kann dadurch
reduziert werden.
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Dann werden der Mittelwert C2 und
die Standardabweichung (σ)
aus den verbleibenden Pixels (S3) berechnet und es wird entschieden,
ob der Absolutwert der Differenz zwischen dem Pixelwert Ij und dem
Mittelwert C2 kleiner ist als ein bestimmtes Vielfaches der Standardabweichungen
(σm). (Beispielsweise ein Vielfaches von drei;
es muss kleiner als das vorherige Vielfache sein). Es werden nur
Pixel verwendet, die Werte in einem Bereich (dem zweiten Bereich
W2) mit einer Ausdehnung eines bestimmten Vielfachen der Standardabweichungen
auf bei den Seiten des Mittelwerts haben; Pixel mit Werten außerhalb
dieses Bereichs werden ignoriert (S4). Die Operationen bei den Schritten
S3 und S4 werden wiederholt, bis alle Pixelwerte in den zweiten
Bereich W2 eingehen. Durch Wiederholen der Verarbeitung bei den
Schritten S3 und S4 kann der Einfluss der peripheren Teile von hellen
Sternen und dunklen Fixsternen reduziert werden. Der schließlich erhaltene Mittelwert
wird als der repräsentative
Wert der Pixel an dieser Pixelposition in dem Mittelwert-Bild betrachtet (S5).
Bei Durchführen
der vorstehend beschriebenen, zweistufigen Pixelwert-Auswahlverarbeitung
bezüglich aller
Pixel in den Bildausschnitten kann ein Durchschnittwert-Bild erhalten
werden, in welchem alle negativen Einflüsse eliminiert sind.
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Der grundlegede Prozess, bei welchem
die Pixelwerte über
die zweistufige Pixelwert-Auswahlverarbeitung übernommen oder ausgeschieden
werden, ist in 7 dargestellt.
In 7 ist die Anzahl
an Bildausschnitten (n) beispielsweise auf 11 eingestellt, und die
Pixelwerte von Pixeln an bestimmten spezifischen Pixelpositionen
sind in der Reihenfolge ihrer Größe angeordnet.
Der Mittelwert wird beim Schritt 51 festgesetzt (Pixel I6) und nur
die Pixelwerte Ii (I2 bis I8) in dem ersten Bereich W1 von 8 σm über und
unter dem Mittelwert C1 werden beim Schritt S2 verwendet. Bei dieser
Verarbeitung werden extrem helle Pixelwerte, wie die zentralen Teile
von hellen Stellen, und Pixelwerte, bei welchen ein Pixelwert nicht
zurückkommt,
eliminiert. Als nächstes
wird beim Schritt S3 der Mittelwert C2 (I5) und die Standardabweichung
(σ) bezüglich der
verwendeten Pixelwerte werden festgestellt. Beim Schritt S4 werden
nur die Pixelwerte Ii (I3 bis I5) in dem zweiten Bereich W2 von
3 σm über
und unter dem Mittelwert C2 verwendet und der Einfluss von peripheren
Teilen von hellen Sternen und dunklen Fixsternen werden eliminiert.
Beim Schritt S5 wird das Pixel I4 als der Mittelwert dieser Pixelposition ausgewählt. Durch
eine solche Bildverarbeitung zum Entfernen von singulären Werten wird
es möglich,
den Detektionsgrenzwert von sich bewegenden Himmelskörpern in
einer aktuellen Bildanalyse anzuheben und den Quotienten hinsichtlich
einer fehlerhaften Detektion auf Grund des Einflusses von Fixsternen
u.ä. stark
zu reduzieren.
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Der nächste Schritt gemäß der Erfindung
ist der Verarbeitungsschritt (3). Bei diesem Verarbeitungsschritt
werden die bei den Verarbeitungsschritten (1) und (2)
durchgeführten
Aufgaben bezüglich
aller vorstellbaren Geschwindigkeitsvektoren für einen sich bewegenden Himmelskörper durchgeführt. Mit
anderen Worten, da die vorstehend beschriebenen Prozesse durchgeführt werden
unter der Annahme, dass ein sich bewegender Himmelskörper vorhanden
ist, selbst wenn die Bewegung eines sich bewegenden Himmelskörpers nicht
bekannt ist, kann durch Bildausschnitte, die alle vorstellbaren
Geschwindigkeitsvektoren eines sich bewegenden Himmelskörper betreffen
und durch eine Verarbeitung von Mittelwerten in Verbindung hiermit
oder durch eine weitere Verarbeitung von Durchschnittswerten, wenn
der Ausschnittsvektor, d.h. die Richtung und der Abstand der Shift
in den Bildausschnitten den Geschwindigkeitsvektor eines sich bewegenden
Himmelskörpers
entspricht d.h. der Richtung und dem Abstand bei der Bewegung eines
sich bewegenden Himmelskörpers;
die Existenz eines sich bewegenden Himmelskörpers identifiziert werden.
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In 3 ist
der Geschwindigkeitsvektor-Bereich für einen sich bewegenden Himmelskörper dargestellt,
der beim Verarbeitungsschritt (3) zu scannen ist. Der fett
ausgezogene Pfeil ist ein Richtungsvektor eines sich bewegenden
Himmelskörpers
in dem Bild; der graue Teil, der durch ausgezogene Linien gegrenzt
ist, ist ein Parameterbereich und die X-Achse und Y-Achse zeigen die
beiden Komponenten des Geschwindigkeitsvek tors des sich bewegenden
Himmelskörpers
in dem Bild an. Der Maximalwert der Geschwindigkeitskomponente wird
durch die Größe des Bildes,
das mittels der CCD-Kammera erhalten worden ist, und durch die Anzahl
an verwendeten Bildern bestimmt.
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Der Bereich nahe dem Ausgangspunkt
in 3 ist ein Bereich,
in welchem die Eliminierung der Fixsterne nicht wirksam durchgeführt wird,
da diese sich nur wenig bewegen. Mit anderen Worten, wenn der Verarbeitungsschritt
(1) gemäß der Erfindung
bei einem sich bewegenden Himmelskörper durchgeführt wird,
der sich in einer Weise bewegt, die derjenigen eines Fixstern ähnlich ist,
werden Fixsterne nicht wirksam eliminiert.
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Die Größe des Bildausschnittes wird
eindeutig für
jeden Geschwindigkeitsvektor V bestimmt, welcher in dem Parameterbereich
von 3 enthalten ist.
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In der Darstellung der 4 wird der Unterschied in den Größen und
der Shiftrichtung der Bildausschnitte basierend auf den Unterschieden
zwischen den Geschwindigkeitsvektoren eines sich bewegenden Himmelskörper dargestellt.
Das durch ausgezogene Linien gebildete Rechteck zeigt die Größe des mittels
der CCD-Kammera erhaltenen Beobachtungsbildes an, während die
durch gestrichelten Linien gebildeten Rechtecke die Größen der
Bildausschnitte anzeigen. Der stark ausgezogene Pfeil zeigt den
Geschwindigkeitsvektor V an.
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Wenn der Absolutwert des Geschwindigkeitsvektors
V klein ist, ist die Fläche
des jeweiligen Bildausschnittes, wie in 4- A dargestellt, groß, während, wenn der Absolutwert
der Geschwindigkeitsvektors V groß ist, die Fläche jedes
Bildausschnitts, wie in 4-B dargestellt,
klein ist. Wie aus 4-A und 4-B zu ersehen ist, haben sich bewegende
Himmels körper
mit einer geringen Bewegung eine größere wirksame Fläche, in
welcher eine Detektion durchgeführt
werden kann.
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Bei Durchführung dieser Verarbeitung für jeden
der vielen sich bewegenden Himmelskörper können sowohl zu beobachtende
Himmelskörper
als auch andere Himmelskörper,
die sich in einer Art bewegen, die derjenigen des zu beobachtenden
Himmelskörpers ähnlich ist,
detektiert werden und die Bilder solcher Objekte können über eine
Durchschnittswert-Verarbeitung aufgehellt werden. Durch Kombinieren
der bei diesem Prozess erhaltenen Bilder können dunkle sich bewegende
Objekte, die mit Hilfe herkömmlicher
Verfahren nicht identifiziert werden können, detektiert werden.
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Beispiel
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In der Darstellung der 5 ist ein Beispiel eines Bildes wiedergegeben,
das mit Hilfe des erfindungsgemäßen Detektierverfahrens
zum Detektieren eines sich bewegenden Himmelskörpers erhalten worden ist.
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Um einen Satelliten oder ein Trümmerteil,
der/das sich auf einem geosynchronen Orbit befindet, zu detektieren,
wurde eine CCD-Kammera mit einer Bildfläche von 3cm × 3cm an
einem Weitwinkelteleskop mit einem Durchmesser von 50cm und einem
F- bzw. Blenden-Wert von 2,0 angebracht und der geosynchrone orbitale
Bereich wurde fortlaufend mit 30 Bildern in einer Fixsternverfolgung
mit einer Belichtungszeit von 2s und einem Belichtungsintervall
von 30s aufgenommen. Bei der Fixsternverfolgung besteht die Bewegung
eines Himmelskörpers
auf einem geosynchronen Orbit in einer ostwärts gerichteten Bewegung von
annähernd 15''
pro Sekunde. Folglich wurde ein dieser Bewegung entsprechender Bereich
aus jedem Bild ausgeschnitten, und zuerst wurden drei Mittelwert-Bilder
aus zehn Bildern erzeugt, und aus diesen drei Mittelwert-Bildern
wurde ein Durchschnittswert-Bild erzeugt.
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5-A ist
ein Bildausschnitt aus einem einzigen Beobachtungsbild entsprechend
der Bewegung eines geosynchronen Himmelskörpers. In dem Bild erscheinen
eine große
Anzahl von Fixsternen, welche das Rauschen vom Standpunkt der Detektion
eines sich bewegenden Himmelskörpers
darstellen. 5-B ist das endgültige Bild,
das entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Hilfe von
30 Beobachtungsbildern geschaffen ist.
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Ein Himmelkörper auf einem synchronen Orbit
ist deutlich ungefähr
in der Mitte des Bildes identifiziert. Wie hieraus zu ersehen ist,
sind die Fixsterne, welche zu dem Rauschen geführt haben, beinahe vollständig eliminiert,
und die Helligkeit des aufgefundenen Himmelskörpers auf dem geosynchronen
Orbit ist heller als in dem Fall, in welchem nur ein einziges Beobachtungsbild
verwendet wird. Dies veranschaulicht, dass ein dunkler sich bewegender
Himmelskörper,
der mit Hilfe eines einzigen Beobachtungsbildes nicht aufgefunden
werden kann, gemäß der Erfindung
detektiert werden kann, indem zuerst helle Fixsterne eliminiert
werden, welche nicht notwendig sind, und dann durch Aufhellen über eine
Durchschnittswert-Verarbeitung die sich bewegenden Himmelskörper zu
detektieren sind, obwohl sie verhältnismäßig dunkel sind.
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In dem vorstehend beschriebenen Verfahren
zur Detektion eines Himmelskörpers
wurden Bildausschnitte direkt von jedem aufgenommenen Bild erläutert. Jedoch
wurden vorzugsweise im vorhinein dunkle Einzelbilder aus allen Bildern
einbehalten, um elektronisches Rauschen, das CCD-Kammeras inhärent ist,
bezüglich
mehreren zehn bis mehreren hundert Bildern zu entfernen, die durch
Beobachtungen erhalten worden sind. Ebenso wurde eine Vorbearbeitung
durchgeführt,
indem alle Bilder in Flachfeld-Bilder aufgeteilt wurden, um den
Empfindlichkeitsunterschied zwischen den CCD-Pixeln zu korrigieren.
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Ferner wurde bei dem vorstehend beschriebenen
Verfahren zum Detektieren eines sich bewegenden Objekts der sich
bewegende Himmelskörper
unmittelbar mittels einer Bildsynthese detektiert, indem die Schritte,
Ausschneiden von Bildern und Erzeugen von Mittelwert-Bildern sowie
von Durchschnittswert-Bildern
durchgeführt
wurde. Jedoch wurden vorzugsweise Bilder in einem kleinen Bereich
ausgeschnitten, indem die Geschwindigkeit des sich bewegenden Himmelskörper-Kandidaten
etwas geändert
wird, der als ein Kandidat des sich bewegenden Himmelskörpers, welcher
durch die Bildsynthese-Operation erhalten worden ist, lokalisiert und
detektiert worden ist. Die vorstehend beschriebene Bildsynthese
wurde bei den Bildausschnitten des kleinen Bereichs angewendet,
und es wurde eine Überprüfung von
Maximalwerten bei den sich bewegenden Himmelskörper-Kandidaten durchgeführt, wenn
die Geschwindigkeit geändert
worden ist. Der sich bewegende Himmelskörper kann spezifiziert werden,
indem angenommen wird, dass die Bewegung, bei welcher der Helligkeitswert
von dem sich bewegenden Himmelskörper-Kandidaten
ein Maximum erreicht, die echte Bewegung ist. Genaue Koordinaten
und die Helligkeit eines spezifizierten, sich bewegenden Himmelskörpers zu
Beginn und am Ende von Beobachtungen können aus Positions-/Lage-Beziehung
und der Helligkeitsbeziehung bezüglich
der Hintergrundsterne herausgefunden werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Detektieren
eines sich bewegenden Objekts wurde, vorstehend anhand eines Beispiels
betreffend die Detektion eines sich bewegenden Himmelskörpers unter
Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann jedoch auch ganz allgemein angewendet werden, um den Orbit
von Weltraummüll
ausfin dig zu machen und zu bestimmen, welcher mit einem in Betrieb
befindlichen künstlichen
Satelliten kollidieren kann, um ferner den Orbit von kleinen Satelliten
zu bestimmen, die sich in der Nähe
der Orbits von stationären
Satelliten befinden, welche mit der bisher verfügbaren Technologie optisch
schwierig zu detektieren waren, obwohl deren Anzahl in der Zukunft
offensichtlich stark zunehmen dürfte,
und um schnell den Orbit von Asteroiden oder Kometen ausfindig zu
machen und zu bestimmen, die mit der Erde kollidieren könnten, und
sogar die Existenz der Menschheit stark gefährden könnten.
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Weitere Beispiele für wissenschaftliche
Anwendungen sind das Entdecken von Himmelskörpern im sogenannten Edgeworth-Kuiper-Gürtel, die am äußeren Rand
des Sonnensystems vorhanden sind, das Entdecken von Asteroiden mit
einer Größe von mehreren
hundert Metern, die in Asteroiden-Zonen vorhanden sind, das Entdecken
von unbekannten Kometen usw. Von derartigen wissenschaftlichen Anwendungen
wird erwartet, dass sie einen signifikanten Beitrag liefern, um
neue Information betreffend das Sonnensystem und dessen Entstehung
zu erhalten. Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Detektieren
eines sich bewegenden Objekts dazu verwendet werden, um beispielsweise
ein dunkles sich bewegendes Objekt zu detektieren, das sich unter
einer großen
Anzahl von hellen Lichtquellen bewegt, um so die Bewegung von Menschen oder
Tieren in der Nachtzeit zu detektieren.
