DE19830036A1 - Vorrichtung zur geometrisch hochauflösenden Bildaufnahme auf einem Mikrosatelliten und zugehöriges Verfahren - Google Patents
Vorrichtung zur geometrisch hochauflösenden Bildaufnahme auf einem Mikrosatelliten und zugehöriges VerfahrenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (3) zur geometrisch hochauflösenden Bildaufnahme auf einen Mikrosatelliten, umfassend ein Objektiv (4) und eine Fokalebene (7), auf der ein flächenhafter optischer Detektor (6) angebracht ist, wobei das Objektiv (4) und die Fokalebene (7) starr am Mikrosatelliten befestigt sind, und zwischen Objektiv (4) und Fokalebene (7) eine Zwischenoptik angeordnet ist, die mittels einer Stell- und Rückstelleinrichtung bewegbar ist.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur geometrisch hoch
auflösenden Bildaufnahme auf einem Mikrosatelliten.
Zur Erzielung hoher geometrischer Auflösung bei gleichzeitig großer Schwad
breite werden bei Satellitenanwendungen CCD-Zeilensensoren in den Kamera
systemen eingesetzt. Im Zuge der Erhöhung der geometrischen Auflösung bei
gegebener Orbithöhe muß die Abnahme der auf ein Bildelement auftreffenden
Energie in Kauf genommen werden. Um bei Erhöhung der Kamerabrennweite
und gleichzeitiger Verringerung des Pixel-Sichtfeldes den sich verringernden
Energiebetrag am Detektor zu kompensieren, bieten sich zwei Lösungsmög
lichkeiten an:
- 1. Vergrößerung der Öffnung des Objektivs
- 2. Verlängerung der Intergrationszeit.
Die bei der Vergrößerung der Brennweite notwendige lineare Vergrößerung
des Objektivdurchmessers wird begleitet durch ein kubisches Anwachsen von
Masse und Volumen des Objektivs. Die Verkürzung der Intergrationszeit bei
Verringerung der Bodenpixelgröße resultiert in einer weitern Vergrößerung des
Objektivdurchmessers. Diese erste Lösungsmöglichkeit kommt für Mikrosatelli
tenanwendung nicht in Frage, da diese nur eine sehr gering Masse aufweisen
dürfen.
Die Intergrationszeit tint wird bei im Push-broom-Modus arbeitenden CCD-Zei
lenkameras kleiner oder höchstens gleich der Zeit tdwell gewählt, die zur Ver
schiebung der Projektion eines CCD-Bildelements auf die Erdoberfläche um
eine Pixelabmessung benötigt wird tint≦tdwell, d. h. Bodenpixelverschmierung ≦1
Pixel. Reicht die zum CCD-Element gelangende Strahlungsenergie bei einer
gegebenen Objektiv-Filter-Anordnung nicht aus, ein bestimmtes
Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen, muß durch Hinzunehmen weiterer, parallel zur
ersten CCD-Zeile angeordneten CCD-Zeilen die Bodenspurprojektion der
CCD-Zeilen in Flugrichtung vergrößert werden. Die Erhöhung des Signal-Rausch-Verhält
nisses kann bei starrer Anordnung Satellitenplattform-Objektiv-Fokal
ebene über das TDI-Prinzip (Time Delay and Integration; Riichi Nagura: SN
Improvement Ratio by Time Delay and Integration for High-Resolution Earth
Observatorium System. Electronics and Communication in Japan, Part 1, Vol.
78,1995, No. 3, pp 74-84) erreicht werden. Bei dem TDI-Prinzip mit n
CCD-Zeilen wird die Satellitenbewegung und dadurch bedingte Verschmierung der
Bodenspur kompensiert durch die n-fache Abtastung einer Zeilenprojektion auf
die Erdoberfläche und anschließender Akkumulation der um jeweils eine tdwell
verschobenen n Zeileninformation. Zur Erreichung dieses Effektes sind die
n-fachen Datenraten von der Detektoranordnung zu verarbeiten und zu verdich
ten. Der dafür benötigte Aufwand für die elektronischen Schaltungen und die
benötigte elektrische Energie lassen Anwendungen auf Mikrosatelliten nicht zu.
Aus der DE 195 02 045 ist eine Vorrichtung zur geometrisch hochauflösenden
Bildaufnahme auf Satelliten bekannt, in denen die Kameraplattform mittels ei
ner Nachführung entgegengesetzt zum Geschwindigkeitsvektor des Satelliten
bzw. die Fokalebene mittels piezoelektrischer Stellantriebe derart nachgeführt
werden, daß der Verschmierungseffekt von der Satellitenbewegung während
der n-fachen Zeit tdwell kompensiert wird. Die durch die Bewegung der Massen,
nämlich der Plattform und der Kamera bzw. der Fokalebene mit den Elektronik
komponenten zur CCD-Ansteuerung und -Auslesung, den Komponenten zur
thermischen Stabilisierung, sowie der dazu benötigten Verkabelung, generier
ten mechanischen Impulse sind bei der geringen Eigenmasse des Mikrosatelli
ten nicht zu vernachlässigen und wirken einer hohen geometrischen Auflösung
entgegen, so daß auf derartige Kompensationsmaßnahmen für Anwendungen
auf einem Mikrosatelliten nicht zurückgegriffen werden kann.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur geometrisch hochauflösenden Bildaufnahme auf einen
Mikrosatelliten zu schaffen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Merkmale der Pa
tentansprüche 1 und 9. Durch die starre Anordnung von Objektiv und Fokal
ebene, zwischen denen eine mittels einer Stell- und Rückstelleinrichtung be
wegbare Zwischenoptik angeordnet ist, wird die Energieeinwirkdauer auf den
optischen Detektor für jedes Bildelement verlängert, wobei die Bildelemente
nach der vollständigen Nachführung einfach abgetastet werden. Aufgrund der
im Verhältnis zu Objektiv und Fokalebene geringen Masse der Zwischenoptik
sind die generierten mechanischen Impulse vernachlässigbar, während sich
der Aufwand für die Datenverarbeitung aufgrund der einfachen Abtastung im
Gegensatz zum TDI-Verfahren nicht vergrößert. Weitere vorteilhafte Ausgestal
tungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Zwischenoptik eine Strahl
umlenkeinrichtung, so daß die Fokalebene weitgehend unabhängig vom
Objektiv angeordnet werden kann, was einen kompakten Aufbau des Mikrosa
telliten ermöglicht. Die Strahlumlenkeinrichtung kann beispielsweise aus licht
leitenden Fasern oder Prismen bestehen, vorzugsweise wird diese jedoch aus
mindestens einem Spiegel gebildet.
In einer weiteren Ausführungsform umfaßt die Zwischenoptik eine optische
Bildfeldanpassung, die zwischen der Strahlumlenkeinrichtung und der Fokal
ebene angeordnet ist und beispielsweise als Sammellinse ausgebildet ist. Zur
Realisierung der Nachführbewegung wird dann entweder die Spiegelanordnung
oder die Bildfeldanpassung beweglich ausgebildet, um die Eigenbewegung des
Mikrosatelliten auszugleichen.
Der flächenhafte optische Detektor ist beispielsweise als CCD-Matrix ausge
bildet. Da jedoch CCD-Matrizen sehr kostspielig sind, wird der flächenhafte
optische Detektor vorzugsweise durch n lückenlos zueinander angeordnete
CCD-Zeilen gebildet.
Die Stell- und Rückstelleinrichtung ist beispielsweise als piezoelektrischer Ak
tuator oder als Schriftmotor ausgebildet, denen gegebenenfalls eine Rückstell
feder zugeordnet werden kann, um die Zwischenoptik schneller wieder in die
Ausgangsposition zu bewegen. Vorzugsweise jedoch wird die Zwischenoptik
zumindestens teilweise mit der Stell- und Rückstelleinrichtung integriert. Dazu
wird der Spiegel und die Stell- und Rückstelleinrichtung mittels geeigneter se
lektiver Ätzprozesse als integrierter, rotierbarer Mikrospiegel mit zugeordneten
Aktuatoren hergestellt. Der Vorteil dieser mittels der Mikrosystemtechnik her
gestellten Komponenten ist deren sehr geringes Volumen und Gewicht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbei
spieles näher erläutert. Die Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Aufnahme nach dem
Push broom-Verfahren (Stand der Technik),
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Aufnahme mit einer n-fachen
Energieeinwirkdauer und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur geometrisch
hochauflösenden Bildaufnahme auf einem Mikrosatelliten.
In der Fig. 1 sind schematisch die Verhältnisse bei der Bildaufnahme auf einem
Satelliten oder Flugzeug nach dem Push broom-Verfahren dargestellt, wobei
sich der Satellit oder das Flugzeug mit einer Geschwindigkeit v über die Be
obachtungsfläche, beispielsweise die Erdoberfläche hinwegbewegt. Dabei sieht
ein Bildelement 1 des optischen Detektors der beispielsweise als CCD-Zeile
ausgebildet ist, ein bestimmtes Bodenpixelelement 2 zu einem Zeitpunkt t1.
Zum Zeitpunkt t2 mit tdwell=ts-t1 ist das Bildelement 1 um ein Bodenpixelelement
2 verschoben. Aufgrund der Forderung, daß die Bodenpixelverschmierung ≦1
Pixel sein soll, kann nur innerhalb der Zeit tint≦tdwell integriert werden.
In der Fig. 2 sind schematisch die Verhältnisse nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren für eine Verdreifachung der Intergrationszeit tint dargestellt. Die Vor
richtung 3 zur geometrisch hochauflösenden Bildaufnahme auf einem Mikrosa
telliten umfaßt ein Objektiv 4, einen verstellbaren Spiegel 5 und einen opti
schen Detektor 6. Der optische Detektor 6 wird dabei vorzugsweise durch drei
lückenlos zueinander angeordnete CCD-Zeilen gebildet. Zum Zeitpunkt t1 ist
der Spiegel 5 durch eine nicht dargestellte Stell- und Rückstelleinrichtung der
art ausgerichtet, daß die von den eine Szene bildenden Bodenpixeln 2 kom
mende Strahlung vollständig auf dem optischen Detektor 6 abgebildet wird.
Zum Zeitpunkt t2, wo die Vorrichtung 3 sich um ein Bodenpixel 2 weiterbewegt
hat, ist der Spiegel 5 derart verschwenkt worden, daß wieder der optische De
tektor 6 vollständig ausgeleuchtet wird, wobei die Schwenkbewegung vorzugs
weise kontinuierlich der Bewegung folgt. Zum Zeitpunkt t3 hat die Vorrichtung 3
sich um ein weiteres Bodenpixel weiterbewegt und der Spiegel 5 ist wiederum
derart weitergeschwenkt, daß wieder der optische Detektor 6 von der von den
drei Bodenpixeln kommenden Strahlung voll ausgeleuchtet wird. Die mögliche
Intergrationszeit tint hat sich dadurch verdreifacht. Am Ende des Zeitpunktes t3
wird dann der optische Detektor 6 einfach abgetastet und die Sensorpixel aus
gelesen. Über die Rückstelleinrichtung wird dann der Spiegel 5 in seine Aus
gangsposition zurückgestellt und die nächste Aufnahme einer unmittelbar an
schließenden Szene kann vorgenommen werden. Anschaulich werden also n
hintereinanderliegende, zeilenförmige Szenenelemente zu einer Szene zusam
mengefaßt und gleichzeitig auf die Fokalebene 7 projiziert. Die Relativbewe
gung der Szenenelemente aufgrund der Eigenbewegung des Mikrosatelliten
wird dann durch die gesteuerte Gegenbewegung der Zwischenoptik kompen
siert.
In der Fig. 3 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung 3
dargestellt. Auf einer Fokalebene 7 ist der optische Detektor 6 angeordnet, der
durch n lückenlos zueinander angeordnete CCD-Zeilen gebildet wird, von de
nen der Übersicht halber nur die beiden äußeren dargestellt sind. Zwischen
dem Spiegel 5 und der Fokalebene 7 ist eine als Sammellinse ausgebildete
Bildfeldanpassung 8 angeordnet, die senkrecht zur optischen Achse verschieb
bar ausgebildet ist. Über eine Front-End-Elektronik 9 wird dann der optische
Detektor 6 nach erfolgter Aufnahme einer Szene ausgelesen und durch einen
nachgeschalteten A/D-Wandler 10 digitalisiert. Die digitalisierten Bilddaten wer
den dann in einem Massenspeicher 11 abgespeichert und gegebenenfalls zu
einer Bodenstation gesendet. Weil die Energie am optischen Detektor 6 umge
kehrt proportional dem Quadrat des Öffnungsverhältnisses Brennweite/Objek
tivdurchmesser ist, kann der Objektivdurchmesser um maximal die Quadrat
wurzel aus n verkleinert werden.
Nachfolgendes Rechenbeispiel dient zur weiteren Erläuterung der Erfindung:
Satellitenhöhe: H = 500 km
Abtastabstand der CCD-Elemente: δ = 7 µm
Brennweite: f = 1 m.
Abtastabstand der CCD-Elemente: δ = 7 µm
Brennweite: f = 1 m.
Bei Einsatz einer beugungsbegrenzten Optik gilt nach der Abtasttheorie nä
herungsweise
δmax ≦ f/D.λ/2.
Für den Abtastabstand δ=7 µm darf bei einer Brennweite f=1 m der Durch
messer der Objektivapertur zu D=36 mm gewählt werden.
Die Bodenpixelgröße X beträgt bei dieser Konfiguration X=3,5 m und die Zeit
tdwell=0,5 ms.
Wird zur Aussteuerung einer konkreten CCD in einer Kamera im panchromati
schen Bereich z. B.
λ = 0,5 µm . . . 0,75 µm ein Öffnungsverhältnis F/D = 4 benötigt (ent
spricht D = 250 mm),
so würde aus
D = 36 mm, f = 1 m, f/D ≈ 28 und mit dem Signal s ∼ (D/f)2
etwa eine Integrationszeitverlängerung von 50 resultieren. Es müßten also n=50
CCD-Zeilen parallel in der Fokalebene angeordnet werden.
Der A/D-Wandler müßte bei
k = 12000 Detektorelementen je CCD-Zeile für eine Abtastrate von
DRCCD = DRADW = K/tdwell = 24 MSamples/s
ausgelegt werden.
Das Kamerasystem würde den Massenspeicher entsprechend mit 24 MPixel/s
füllen. Bei einer Wortbreite von 8 bit ergäbe sich ein quadratisches Bild 12000×12000
Pixel ein Datenvolumen von 144 MByte ≈ 1,2 Gbit, das in einer Zeit
tquadrat=6 s generiert wird.
Claims (9)
1. Vorrichtung zur geometrisch hochauflösenden Bildaufnahme auf einem
Mikrosatelliten, umfassend ein Objektiv und eine Fokalebene, auf der ein
flächenhafter optischer Detektor angebracht ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Objektiv (4) und die Fokalebene (7) starr am Mikrosatelliten befestigt
sind und zwischen Objektiv (4) und Fokalebene (7) eine Zwischenoptik
angeordnet ist, die mittels einer Stell- und Rückstelleinrichtung beweg
bar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwi
schenoptik eine Strahlumlenkeinrichtung umfaßt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahl
umlenkeinrichtung aus mindestens einem Spiegel (5) besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwi
schenoptik eine optische Bildfeldanpassung (8) umfaßt, die zwischen
der Spiegelanordnung (5) und der Fokalebene (7) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel
anordnung (5) und/oder die optische Bildfeldanpassung (8) durch die
Stell- und Rückstelleinrichtung bewegbar sind, wobei die optische Bild
feldanpassung (8) senkrecht zur optischen Achse der Fokalebene (7)
bewegbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß der flächenhafte optische Detektor (6) aus einer An
zahl von CCD-Zeilen gebildet ist, die auf der Fokalebene (7) lückenlos
zueinander angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Stell- und Rückstelleinrichtung als piezoelektri
scher Aktuator oder als Schrittmotor ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeich
net, daß der Spiegel als integrierter Mikrospiegel mit integrierter
Stell- und Rückstelleinrichtung ausgebildet ist.
9. Verfahren zur geometrisch hochauflösenden Bildaufnahme auf einem
Mikrosatelliten, mittels einen Vorrichtung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
durch eine periodische Steuerung der Stell- und Rückstelleinrichtung die
damit in Wirkverbindung stehende Zwischenoptik derart nachgeführt
wird, daß die von einer aufzunehmenden Fläche kommende Strahlung
den optischen Detektor (6) stets voll aus leuchtet, so daß die Energieein
wirkdauer auf den optischen Detektor (6) verlängert wird und der opti
sche Detektor (6) nach Rückstellung der Zwischenoptik einfach ausgele
sen und abgetastet wird.
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