DE2056812B2

DE2056812B2 - Vorrichtung zum Abtasten eines von der Erdoberfläche ausgehenden Abtaststrahls

Info

Publication number: DE2056812B2
Application number: DE2056812A
Authority: DE
Inventors: C R Moss
Original assignee: Hawker Siddeley Dynamics Ltd
Current assignee: Hawker Siddeley Dynamics Ltd
Priority date: 1969-11-19
Filing date: 1970-11-16
Publication date: 1978-11-30
Also published as: US4103160A; FR2241806A1; DE2056812C3; GB1375158A; SE373957B; DE2056812A1; FR2241806B1; NL7016877A

Description

Die Erfindung betrifft eine in einem Flugkörper installierte Vorrichtung zum Empfang eines von der Erdoberfläche ausgehenden, quer zur Flugrichtung hin- und hergehenden Abtaststrahls mittels in einer quer zur Abtastzeilenrichtung angeordneten Reihe von Empfangselementen und einer weiteren Reihe damit korrespondierend ansprechender Leuchtelemente und eines davon ausgehenden Bilderzeugungsabtaststrahls.

Derartige Vorrichtungen dienen zur Beobachtung oder fotografischen Aufzeichnung einer Szene auf dem Erdboden, die z. B. von einem Flugzeug überflogen wird. Bevorzugt arbeitet dabei die Abtasteinrichtung mit einer Infrarot-Zeilenabtasttechnik. Dabei wird die Szene wiederholt quer zur Flugrichtung abgetastet, wobei sich der Winkel θ des Abtaststrahls mit der Normalen auf die Szene innerhalb eines jeden Abtastvorganges zwischen Null und einem Maximum ändert.

Dabei ist es unvermeidlich, daß die Breite des jeweils abgetasteten Gebietes seitlich der Normalen mit zunehmendem Abtastwinkel größer wird. Die Zunahme der Breite ist proportional see θ, wodurch das mit jeder Abtastung erfaßte Gebiet die Form eines sogenannten »Konkavbogen-Rechtecks« hat, also eines Rechtecks, -, dessen beiden Langseiten konkav nach innen eingezogen sind, und sich somit in der Mitte der beiden Langseiten die geringste Breite der Figur ergibt

Als notwendige Folge der Verbreiterung an den Rändern des bei jeder Abtastung erfaßten Gebietes ergeben sich bei aufeinanderfolgenden Abtastungen unvermeidlich Überlappungseffekte, wenn für geringe Werte des Winkels θ eine lückenlose Erfassung der abzutastenden Szene aufrechterhalten werden muß. Diese Überlappungen führen zu Schwierigkeiten bei der

ι-, Auswertung des Abtastergebnisses. Jede Abtastung wird nämlich als rechteckiger Streifen auf einem sich bewegenden, fotografischen Film aufgezeichnet Dieser Streifen hat somit für alle Werte des Winkels θ die gleiche Breite und enthält damit die gesamte Information, die von dem erfaßten Konkavbogen-Rechteck abgeleitet worden ist. Es ist nun unvermeidlich, daO bei einer Überlappung der konkavbogenförmigen Bereiche der Szene alle in den Überlappungsgebieten liegenden Signalinfoniiationen auf dem Film auf allen denjenigen Streifen wiederzufinden sind, die zu den überlappenden Abtastungen gehören. Das bedeutet, daß ein Einzelobjekt zweifach oder sogar noch öfter auf den Film aufgezeichnet und dann fälschlich als Mehrfachobjekt gedeutet wird.

jo Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der Deutungsfehler infolge einer Mehrfachaufzeichnung des Abtastergebnisses so gut wie ausgeschlossen sind.

j5 Die Erfindung besteht darin, daß zur Kompensierung von Fehlern zufolge wechselnder Empfangsstrahllänge im Zuge des Abtastvorganges in den Bilderzeugungsabtaststrahlengang ein zylinderlinsenähnliches Element derart einbezogen ist, daß sich bei zunehmender Abweichung von der Zeilenmitte (Winkel Θ) eine Vergrößerung des Abbildungsmaßstabes ergibt und außerdem eine Blende vorgesehen ist, die das auf der Aufzeichnungsfläche entstehende Bild der Leuchtelemente mit zunehmendem Ablenkwinkel von den Rändern her mehr und mehr beschränkt.

Mit Hilfe der Erfindung wird also bei der Abtastung einer überflogenen Szene die Bildbreite an dsn Rändern mit Hilfe optischer Mittel eingeschränkt. Die Erfindung bedient sich dabei sowohl der optischen Vergrößerung als auch der Bildeinschränkung mit Hilfe einer entsprechenden Blende, so daß das abgetastete Gebiet an den Rändern so weit eingeschränkt ist, daß die auf der Aufzeichnungsfläche registrierten, lückenlos aneinandergrenzenden Bereiche aus Informationsgebieten

ν-, auf dem Erdboden bestehen, die dort ebenfalls aneinandergrenzen. Damit sind Überlappungen der Aufzeichnung und somit Fehldeutungen des Abtastergebnisses so gut wie ausgeschlossen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Aufzeichnungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigt

Fig. laden Konkavbogen-Rechteck-Effekt,
Fig. Ib das Ergebnis von aufeinanderfolgenden Konkavbogen-Rechteck-Abtastungen infolge Überlappung,

Fig. Ic das Filmbild aus aufeinanderfolgenden, überlappten Konkavbogen-Rechteck-Abtastungen,
F i g. 2a den innerhalb des Konkavbogen-Rechtecks

liegenden rechteckigen Ausschnitt, auf den das aufgezeichnete Bild beschränkt werden soll,

Fig.2b ein Diagramm zur Erläuterung, wie die Szenengebiete gemäß Fig.2a erscheinen, wenn sie durch ein konventionelles System aufgezeichnet wer- -, den,

Fig.3 schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig.4 in perspektivischer explodierter Darstellung die Hauptteile der Vorrichtung gemäß F i g. 3, ι ο

Fig.5 ]p größeren Einzelheiten eine bei der Vorrichtung gemäß Fi g. 3 verwendete Korrekturlinse,

F i g. 6 ein optisches Funktionsdiagramm der Vorrichtung und

F i g. 7 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der ι -, besonderen Variationscharakteristik der Linse gemäß Fig. 5.

In Fig. la ist das Prinzip der Geländeabtastung mktels eines Flugzeuges 11 veranschaulicht Der von dem Flugzeug während einer jeden Abtauiung aufgenommene Geländestreifen 12 liegt quer zur Flugrichtung und hat die Form eines »Konkavbogen-Rechtekkes«, d. h. eines Rechteckes, dessen beide Langseiten bogenförmig nach innen verlaufen, so daß die Breite der Figur in der Mitte der Langseiten schmal ist und zu den 2; äußeren Enden der Langseiten hin stetig zunimmt. Wenn man den Winkel zwischen der vom Flugzeug aus verlaufenden Vertikallinie und der vom Flugzeug aus verlaufenden Abtastlinie in der senkrecht zur Flugrichtung stehenden Vertikalebene als Abtastwinkel Θ jo bezeichnet und die Breite des abgetasteten Geländestreifens im Bereich der vom Flugzeug aus verlaufenden Vertikallinie mit ds, dann nimmt die Breite des abgetasteten Geländestreifens mit zunehmendem Abtastwinkel θ nach beiden Seiten hin nach Maßgabe des r, Ausdruckes ds ■ sec Θ zu, was zu der Figur eines Konkavbogen-Rechteckes führt.

F i g. 1 b läßt erkennen, daß die Abtastmethode gemäß Fig. la bei aufeinanderfolgenden Abtastungen zu beträchtlichen Überlappungen führt, die mit zunehmen- w dem Abtastwinkel Θ zunehmen, und nur für θ = Null verschwinden. In F i g. Ib sind zwei aufeinanderfolgende Mehrkanal-Abtastungen dargestellt, die mit lsi und 2nd bezeichnet sind. Es ist angenommen, daß fünf Abtastkanäle vorhanden sind, so daß jede Abtastung aus fünf 4-, nebeneinanderliegenden Abtaststreifen besteht. Infolge der Überlappung kann es nun geschehen, daß ein im Gelände befindliches Objekt 13 mehrfach erscheint, nämlich z. B. im Kanal 4 der ersten Abtastung und wiederum im Kanal 2 der zweiten Abtastung. Bei der ><> Aufzeichnung des Abtastvorganges erscheinen, wie Fig. Ic erkennen läßt, die aufeinanderfolgenden Abtastungen als gesonderte, parallel nebeneinanderliegende gleich breite Streifen 15 auf einem Film 14, i. h., die aufeinanderfolgenden Konkavbogen-Rechtecke 12 r> werden in echte Rechtecke 15 verwandelt. Dies hat jedoch zur Folge, daß das Objekt 13 bei der Aufzeichnung zweimal ermittelt wird, also der Eindruck des Vorhandenseins von zwei Objekten entsteht.

Um die vorangehend diskutierte Erscheinung zu bit vermeiden, ist es notwendig, bei einer jeden Abtastung die bogenförmigen Verbreiterungen des abgetasteten Geländestreifens 12 abzuschneiden, so daß jede Abtastung in der in F i g. 2a gezeigten Weise tatsächlich nur ein echtes Rechteck 16 von konstanter »Grundbrei- tr> te« ds erfaßt. F i g. 2b zeigt, wie dieses Erfordernis prinzipiell verwirklicht werden kann. Wenn bei der Aufzeichnung das konkavbogenformige Rechteck 12 zu einem echten Rechteck 13 wird, bedeutet dies, daß sich das echte Rechteck 16 zu einer lanzettförmigen Figur 17 verwandelt, dessen Breite für jeden Wert von θ proportional 1/sec θ ist Wenn bei der Aufzeichnung ein optisches. System verwendet wird, dessen Vergrößerung proportional see θ ist, ergibt sich aus dem lanzettförmigen Gebiet 17 wieder ein echtes Rechteck. Auf diese Weise kann erreicht werden, daß bei jeder Abtastung ein echt rechteckförmiger Geländestreifen 16 erfaßt wird, der bei der Aufzeichnung auch wieder zu einem echt rechteckförmigen Streifen wird. Damit sind die Überlappungen bei aufeinanderfolgenden Abtastungen vermieden.

F i g. 3 zeigt schematisch den Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit dessen Hilfe zeilenweise die Aufzeichnung auf einem fotografischen Film unter Verwendung eines Bilderzeugungsabtaststrahles erfolgt

Es ist eine Glimmröhren-Anordnung 21 vorhanden, deren Intensität nach Maßgabe der von dem abgetasteten Gelände empfangenen Infrarot-Signale moduliert wird. Das Licht aus den einzelnen Glimmröhren wird mittels Transfer-Linsen 23 (vgl. auch Fig.6) auf die Enden der zugehörigen Kanäle in einem Bündel von Lichtleitfaser-Kanälen 22 fokussiert. Die Linse 23 ist dabei als Triplet ausgelegt, um die Effekte der sphärischen Aberration auf ein Minimum zu bringen. In den Lichtleitfaser-Kanälen 22 läuft das Licht bis zu deren Endflächen, die in der Achse 24 des Aufzeichnungssystems I'.egen und als Leuchtelemente aufgefaßt werden können. Das Bild dieser Leuchtelemente wird dann mit Hilfe des in Fig.3 dargestellten Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einem fotografischen Film 27 aufgezeichnet.

Wenn man annimmt, daß jede Endfläche eines Lichtleitfaser-Kanals einen Querschnitt von 0,075 cm hat und wenn man fünf Giimmröhren 21 unterstellt, hat die linienförmige Anordnung 25 der Endflächen eine Abmessung von 0,375 · 0,075 cm. Diese Anordnung gibt das Infrarot-Muster, das bei jedem momentan in Längsrichtung des Konkavbogen-Rechtecks abgetasteten Inkrement erhalten wird, als moduliertes Lichtsignal wieder. Die linienförmige Anordnung 25 der Endflächen der Lichtleitfaser-Kanäle, also die Leuchtelemente, bleiben für alle Werte von θ stationär, da sie auf der Achse 24 des Aufzeichnungsteils liegt. Es ist für die Aufzeichnung notwendig, ein Bild der Anordnung 25 an einer versetzt zur Achse des Systems liegenden Stelle zu schaffen, um zu erreichen, daß sich die Bildposition mit dem Winkel θ ändert. Dies wird mit Hilfe einer Transferlinsen-Doublette 26 erreicht. Das von dieser Transferlinsen-Doublette 26 erzeugte Bild kann als das durch den Bilderzeugungsabtaststrahlengung auf dem Film 27 erzeugte Bild angesehen werden, wenn man die dazwischenliegende, besondere Optik unberücksichtigt läßt.

Tatsächlich wird nämlich der von der Linsendoublette 26 gelieferte Lichtstrahl mittels zweier Planspiegel 28 zur Achse 24 des Aufzeichnungssystems zurückgeleitet, und zwar auf einen in der Achse 24 liegenden Pyramidenspiegel 29. Vom Spiegel 29 aus wird der Lichtstrahl in der allgemeinen Richtung der Achse 24 abgelenkt, wobei er durch einen hohlen drehbaren Abtaster 30 hindurchtritt und auf einen zweiten Pyramidenspiegel 31 auftrifft. Der Pyramidenspiegei 31 liegt ebenfalls in der Achse 24, er dreht sich mit dem Abtaster 30 und reflektiert den Lichtstrahl radial nach außen zu vier Mikroskop-Objektiven 32, die sich auch

mit dem Abtaster 30 drehen, und dabei den Aufzeichnungsfilm 27 überstreichen. Die axiale Abmessung des so übertragenen Bildes ist 0,375 · Mcm, wobei M die Vergrößerung der Transferlinsen-Doublette 26 darstellt. Für eine komplette Abtastung hat dieses Bild die Form eines Zylinderabschnittes, dessen Radius gleich ist dem Abstand zwischen dem Bild und der Systemachse 24. Das Bild enthält alle aus dem konkavbogenförmigen Rechteck auf dem abgetasteten Gelände abgenommenen Informationen.

In F i g. 3 und 4 ist eine Blende 33 gezeigt, die in den optischen Weg zwischen der Transferlinsen-Doublette 26 und dem ersten Planspiegel 28 eingeschaltet ist und die mit der Fläche des Transferlinsen-Bildes koinzidiert. Diese Blende enthält zwei gebogene Blendenklappen 34, die winkelmäßig um eine Schwenkachse 50 zueinander hin und voneinander fort schwenkbar sind. Die Funktion dieser Blende 33 besteht darin, die Abmessungen des Transferlinsenbildes auf diejenige Fläche zu begrenzen, die durch die lanzettförmige Figur > <> 17 in F i g. 2b dargestellt ist.

Um die Wirkungsweise der Blende 33 voll zu verstehen, müssen noch zwei weitere Faktoren mit in Betracht gezogen werden. Erstens ist zu erwähnen, daß aus konstruktiven Gründen der gesamte Abtastwinkel, y, der 120° beträgt, auf dem Aufzeichnungsfilm als 60°-Abtastung reproduziert wird. Zweitens ist darauf hinzuweisen, daß die Blende einen Mechanismus zur Veränderung des K/A-Wertes (V entspricht der Fluggeschwindigkeit; h entspricht der Flughöhe), auf jo den das System eingestellt ist, enthalten muß.

Die Apertur der Blende ist an allen Stellen proportional 1/see 2 0. Damit hat die Apertur für θ = ±45° den Wert Null. Die Apertur ist aber weiterhin auch eine Funktion von V/h. Damit hat die Apertur an j-, jedem vorgegebenen Punkt den Wert

0,375 MKV h ■ see 2 (-)

4(1

wobei K eine Konstante ist, die den Wert 1 / VZh)_n,,, hat.

Die Tatsache, daß die Apertur bei 0= ±45° für alle Werte von V/h den Wert Null hat, bedeutet, daß die beiden Blendenklappen 34 winkelmäßig um eine Achse bewegt werden können, die durch die beiden 0= ±45° 4-, entsprechenden Punkte verläuft. Die Wirkungskanten der Blendenklappen 34 liegen jeweils in Ebenen, die auch die Blenden-Schwenkachse enthalten. Zur Betätigung der Blendenklappen 34 sind motorgetriebene Nocken 35 vorgesehen, mittels denen die Blende so geöffnet und geschlossen werden kann, daß sich Aperturen entsprechend den veränderlichen Werten von V/h einstellen. Die Bedingung der Veränderung der Apertur proportional 1/sec 2 θ mit dem Abtastwinkel θ wird in erster Näherung befolgt

Zwischen die beiden Planspiegel 38 ist eine zylinderlinsenförmige Korrekturlinse 36 eingefügt, die in F i g. 3 und in größeren Einzelheiten in F i g. 5 gezeigt ist Diese Korrekturlinse besitzt eine veränderliche Krümmung und kann auch als »Konkavbogen-Recht- t,o eck-Linse« bezeichnet werden. Sie hat den Zweck, das Transferlinsenbild im Verhältnis von see 2 θ zu vergrößern und damit das Bildgebiet, das die Blende passiert hat, in ein Bild mit parallelen Seiten zu reformieren. Ein optisches Funktionsdiagramm des Systems mit der Korrekturlinse 36 ist in Fig.6 dargestellt Dabei bezeichnen H\ und H₂ die primäre und sekundäre Hauptebene des Mikroskopobjektivs 32, B die Lage der Linse 36, C das Transferlinsenbild und D das Bild der Korrekturlinse. Der Winkel, den von H\ aus die Randlinie des Transferlinsenbildes hat, sei mit Φ definiert. Die entsprechende Randlinie des Korrekturlinsenbildes muß dann in erster Näherung gleich Φ ■ sec 2 Θ sein. Unter der weiteren Annahme, daß BH\ gleich d, ßDgleich vund CBgleich «sei, folgt

tan (Φ- see 2 (-J) = -7—,
d + v

wobei Λ die Höhe des Korrekturlinsenbildes darstellt. Nun ist die Höhe des Transferlinsenbildes gleich 0,375 · M cm. Aus der Beziehung

Objekthöhe _ Objektabstand

Bildhöhe
ergibt sich somit

Bildabstand

0,375 M u '
Durch Substitution wird daraus

.. 0,375· M -v/u

tan (Φ ■ see2(■)) = — —

d + r

i/(tan(0-sec2«) = v(— tan(0 ■ see 2 W))

d · tan (0 · see 2 (-))

0.375 · M

Mit der Beziehung

- tan (0· see 2«)

— = — — — (neues Cartesisches System)

/ r u

folgt weiter

1 0,375 - M/u - tan(0 ■ sec2«)

J~ ί/ tan (Φι sec 2(->)

0,375 M-(U- ά)\-άη(Φ ■ sec2«)

ti ■ d ■ tan(0sec2W)

Weiterhin gilt

wobei μ., r\ und r₂ den Brechungsindex bzw. die Krümmungsradien der Korrekturlinse bedeuten. Da gleiche Krümmungen der Oberfläche vorgesehen sind, kann man r₂= — η setzen, womit sich

ergibt sowie durch Substition

2u(h - \)d- tan(0 - see 2 Θ)

1Ί =

- (m - d)tan (Φ ■ see 26)) - 0,375 - M '

Dieser letztgenannte Ausdruck gibt den notwendigen Krümmungsradius der Oberfläche der Korrekturlinse 36 als Funktion von θ wieder.

Es sei darauf hingewiesen, daß in dieser Optik das neue Cartesische System erforderlich macht, daß ν tatsächlich negativ ist (vergleiche Fig.6). Unter dem neuen Cartesischen System wird u in diesem Fall auch negativ, so daß auch Γ2 negativ wird. Dies bedeutet, daß die Korrekturlinse eine bikonvexe Linse ist, wie sie auch in F i g. 6 dargestellt ist.

Die Korrekturlinse läßt sich z. B. durch Spritzgießen herstellen, wobei ein Polycarbamat-Materia! mit dem Brechungsindex 1,49 verwendet werden kann.

Die Veränderung in der Länge des optischen Weges zwischen dem Korrekturlinsenbild und H\ mit 2 θ führt auch zu einer Veränderung des Bildabstandes des Mikroskopobjektivs mit 2 Θ. Eine typische grafische Darstellung dieser Veränderung ist in der Kurve 39 der F i g. 7 zu ersehen. Da die Korrekturlinse im Prinzip eine Zylinderlinse ist, ergibt sich keine entsprechende Veränderung der optischen Weglänge in der Fläche senkrecht zur Linsenkrümmung. In dieser Fläche bleibt damit der Bildabstand des Mikroskopobjektivs konstant, wie dies durch die Kurve 37 in F i g. 7 erläutert ist. Als Folge ergibt sich ein astigmatischer Effekt, wenn 2 θ gegen 60° geht. Durch geeignete Kontur des Filmgitters kann dieser Effekt jedoch auf einen vernachlässigbaren Umfang heruntergedrückt werden. Wenn das Filmgitter die Kontur gemäß Kurve 38 in F i g. 7 hat, wird die maximale Größe eines astigmatischen Punktes nur 0,001 cm.

Es wurde im übrigen gefunden, daß eine eventuelle

Variation der Filmbelichtung mit der Änderung der Vergrößerung der Korrekturlinse kein Problem darstellt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. In einem Flugkörper installierte Vorrichtung zum Empfang eines von der Erdoberfläche ausgehenden, quer zur Flugrichtung hin- und hergehenden Abtaststrahls mittels in einer quer zur Abtastzeilenrichtung angeordneten Reihe von Empfangselementen und einer weiteren Reihe damit korrespondierend ansprechender L^uchtelemente und eines davon ausgehenden Bilderzeugungsabtaststrahls, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensierung von Fehlern zufolge wechselnder Empfangsstrahllänge im Zuge des Abtastvorganges in den Bilderzeugungsabtaststrahlengang ein zylinderlinsenähnliches Element (36) derart einbezogen ist daß sich bei zunehmender Abweichung von der Zeilenmitte (Winkel Θ) eine Vergrößerung des Abbildungsmaßstabes ergibt und außerdem eine Blende (33) vorgesehen ist die das auf der Aufzeichnungsfläche entstehende Bild der Leuchtelemente (22) mit zunehmendem Ablenkwinkel von den Rändern her mehr und mehr beschränkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das zylinderlinsenähnliche Element eine Korrekturlinse (36) ist deren Brennweite eine Funktion des Secans des Winkels θ oder eines Vielfachen dieses Winkels ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturlinse (36) eine Brennweite aufweist, die das abgetastete Gebiet der Erdoberfläche in einem mit der Funktion see 2 θ veränderlichen Maße vergrößert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (32) aus zwei gekrümmten Blendklappen (34) besteht, die synchron mit der Drehung des die Abtastung bewirkenden Abtasters (30) bezüglich ihrer gegenseitigen Winkellage gegeneinander hin- und voneinander wegbewegbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkungskanten der Blendklappen (34) in Ebenen liegen, die jeweils die Schwenkachse der Blendklappen enthalten.