DE3102880C2

DE3102880C2 - Verfahren und Einrichtung zur Kalibrierung von Abtastern

Info

Publication number: DE3102880C2
Application number: DE3102880A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. 8126 Hohenpeißenberg Lorenz
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5000 Koeln; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1981-01-29
Filing date: 1981-01-29
Publication date: 1983-03-17
Also published as: US4482252A; NL8200291A; FR2498764B1; DE3102880A1; FR2498764A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung von Abtastern während ihres Betriebes, insbesondere von Zeilenabtastern für Luft- oder Raumfahrzeuge, sowie eine Einrichtung zur Durchfahrung des Verfahrens.

Die Aufnahme von Gegenständen wie der Erdoberfläche und/oder der über ihr befindlichen Wolken im sichtbaren Spektralbereich, im nahen Infrarot oder im (dermalen Infrarot von Luft- oder Raumfahrzeugen aus zur Gewinnung von Meßdaten und zur Bilderzeugung erfolgt in vielen Fällen mit derartigen Abtastern.

Zeilenabtaster nehmen einen Gegenstand beispielsweise in einer Folge gerader Zeilen auf, die quer zur Plugrichtung verlaufen. Durch die Fortbewegung wird bei entsprechender Abstimmung von Fluggeschwindigkeit, Flughöhe und Öffnungswinkel des optischen Systems ein Streifen des betreffenden Gegenstandes lückenlos erfaßt. Die Aufnahme der von den Gegenständen remittierten oder emittierten Strahlung kann mit Hilfe von Fotodektoren erfolgen.

Die Anforderungen an die Meßgenauigkeit der Strahlungsmeßgeräte, insbesondere von Zeilenabtastern, sind so hoch, daß auch kleine Änderungen berücksichtigt werden müssen, beispielsweise Änderungen der Empfindlichkeit des Gesamtsystems, die durch Änderungen der Empfindlichkeit der Detektoren oder

ίο durch Temperaturänderungen des optischen Systems hervorgerufen werden. Bei optisch-mechanischen Zeilenabtastern ist es in diesem Zusammenhang bereits bekannt, einen oder mehrere Eichstrahler einzubauen, deren Strahlung beim Umlauf des Abtastspiegels mit erfaßt wird (Applied Optics 19,2153-2161 [1980]).

In F i g. 1 ist ein Beispiel dafür schematisch dargestellt, anhand dessen der damit durchzuführende Kalibrierungsvorgang während des Betriebes des Gerätes erläutert werden soIL Wie der linke Teil der Fig. 1 zeigt, rotiert der Drehspiegel DSum die Achse a und tastet, wenn er während des Umlaufs nach unten gerichtet ist, einen senkrecht zur Bildebene verlaufenden Streifen des Gegenstandes G ab. Die von diesem emittierte und/oder remittierte Strahlung wird über den Drehspiegel DS auf die Optik OPgelenkt und von dieser auf den Detektor DE fokussiert, der dann ein entsprechendes Meßsignal erzeugt, z. B. in Form einer elektrischen Spannung U. Dabei ist davon auszugehen, daß die Beziehung zwischen L/und Sdurch eine Eichung im Labor bestimmt wurde (s. Labor-Eichkurve in Fig. 2):

Weist der Drehspiegel DS bei seinem Umlauf nach oben (s. den rechten Teil von F i g. 1). so reflektiert er die von dem Eichstrahler ES ausgehende Strahlung S(ES).

Ist deren Absolutwert bekannt, bei einem Eichstrahler für den thermalen Infrarotbereich z. B. aus der Temperatur des Eichstrahlers, so ist damit ein Punkt der Betriebs· Eichkurve bekannt, die von der im Labor gewonnenen etwas abweichen kann, z. B, weil die Empfindlichkeit des Detektors unter den Meßbedingungen eine andere als während oer Laboi -Eichung ist.

Sind mehrere Eichstrahler ES angebracht, die unterschiedliche, bekannte Strahlungswerte S(ES) abgeben, so lassen sich entsprechend mehrere, unterschiedliehe Punkte der für diesen Zeitpunkt geltenden Betriebs-Eichkurve bestimmen. Für die Auswertung der Messungen an dem abgetasteten Gegenstand C wird dann diese Betriebs-Eichkurve benutzt oder es werden an den Auswertungen mit der Labor-Eichkurve entsprechende Kor?ekturen angebracht. Für verschiedene Zeitpunkte können dabei unterschiedliche Betriebs-Eichkurven gelten und damit auch unterschiedliche Korrekturen.
Hohe Anforderungen an die optische Auflösung von Abtastern erfordern ferner größere Durchmesser der optischen Systeme und damit auch größere Eichstrahler, da Eich- und Meßsirahlungsbündel sonst nicht übereinstimmen. Dies führt zu erheblichen technischen Schwierigkeiten. Vermutlich aus diesem Grund wurde bei dem Radiometer der Wettersatelliten Meteosat 1 und 2 auf eine die Optik einbeziehende Kalibrierung im Flug verzichtet. Bei einem bekannten Stereo-Zeilenab· taster, bei dem der größte Teil des 360°-Abtastspiegelumlaufs für die Gegenstandsaufnahme erforderlich ist (DE-OS 28 33 808), besteht dagegen die Schwierigkeit, einen hinreichenden Anteil des Umlaufs für die Eichstrahler freizuhalten.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren

und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens unter möglichst weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten derart zu verbessern, daß eine Kalibrierung des gesamten Abtasters unter Einschluß des optischen Systems möglich ist Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist Gegenstand de·. Unteransprüche.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung kann auf den Einbau von Eichstrahlern in den Abtaster A verzichtet werden, da die Kalibrierung während des Betriebes mit einem zusätzlichen, absolut kalibrierten Radiometer (Kalibrierungs-Radiometer) R erfolgt, wie dies die F i g. 3 zeigt Das Radiometer R kann z. B. so ausgerichtet werden, daß es den in F i g. 3 schraffierten Ausschnitt RF des von dem Abtaster A abgetasteten Gegenstandsstreifens ST erfaßt Aus der Messung des absolut kalibrierten Radiometers R ergibt sich für den Gegenstandsausschnitt RF der Strahlungswert S(RF). Der Abtaster A liefen für RF den Spannungswen U(RF). Mit diesem Wertepaar S(RFyU(RF) Kann, wie Fig.4 zeigt, ein Punkt der Betriebs-Eichkurve des Abtasters bestimmt und die Differenz zur Labor-Eichkurve ermittelt werden. Da sich für jede neue Zeile des Abtasters ein neues Wertepaar SfRF)ZU(RF) ergibt und diese sich in der Regel voneinander unterscheiden, können diese Vergleiche an einer ganzen Anzahl von verschiedenen Stellen der Eichkurve ausgeführt werden.

Das Meßfeld RFdes Kalibrierungs-Radiometers muß nicht notwendigerweise mit dem des Abtasters übereinstimmen. Ist es größer als das des Abtasters, so muß für die Bestimmung von U(RF) über die entsprechende Anzahl der Meßwerte des Abtasters gemittelt werden, die innerhalb von ÄFüegen.

Das Kalibrierungsverfahren gemäß der Erfindung entbindet in der Regel nicht von einer Absolut-Kalibrierung des Kalibrierungs-Radiometers während des Betriebes, z. B. mit eingebauten Eichstrahlern, doch ist diese bei dem Kalibrierungs-Radiometer einfacher als bei dem Abtaster durchzuführen. In manchen Fällen ist sie überhaupt nur bei dem Kalibrierungs-Radiometer möglich.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß mit dem zusätzlichen absolut kalibrierten Radiometer eine Unabhängigkeit von den technischen Gegebenheiten der Abtaster erzielbar ist, was insbesondere bei Zeilenabtastern praktisch bedeutsam ist. Dadurch kann eine absolute Kalibrierung des Abtasters während des Betriebes vorgenommen werden, die auch Einflüsse berücksichtigt, die vom optischen System des Abtasters ausgehen, selbst wenn es sich um große optische Systeme handelt.

Das zusätzliche Radiometer kann im Vergleich zum Abtaster klein sein, insbesondere, wenn die optische Auflösung des Radiometers geringer als die des zu kalibrierenden Systems ist. Das Radiometer kann intern während des Betriebes absolut kalibriert werden, wozu lieh relativ kleine Eichstrahler verwenden lassen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das zusätzliche Radiometer fest ausgerichtet sein kann. Durch die Ausrüstung des bzw. der Radiometer mit zusätzlichen Spektralkanälen, die der Zeilenabtaster nicht enthält, lassen sich zusätzliche Messungen bewältigen, die keine oder nur eine eingeschränkte flächenmäßige Abtastung oder nur eine geringe flächenmäßige Auflösung erfordern. Dies ist z. B. bei Messungen von Parametern der Strahlungsbilanz der Fall.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigt

Fig.! eine Schemazeichnung eines bekannten Zeilenabtasters mit eingebautem Eichstrahler zur Erläuterung des Standes der Technik,

F i g. 2 eine grafische Darstellung zur Bestimmung der Betriebs-Eichkurve nach dem Stand der Technik,

Fig.3 eine Schemazeichnung zur Erläuterung des ίο Verfahrens zur Veranschaulichung der Erfindung,

F i g. 4 eine grafische Darstellung zur Bestimmung der Betriebs-Eichkurve zur Erläuterung der Erfindung,

F i g. 5 und 7 schematische, perspektivische Darstellungen von Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens,

Fig.6, 8 und 9 schematische, perspektivische Darstellungen von Anwendungsbeispielen,

F i g. 10 eine Aufsicht auf eine von oem Zeilenabtaster und dem zusätzlichen Radiometer erfaßte Fläche eines Gegenstandes.

Das in Fig.5 dargestellte Ausfür . ngsbeispiel zeigt ein zusätzliches Radiometer R, das für ups Kalibrierung eines Zeilenabtasters vorgesehen und mit dem Zeilenabtaster so verbunden ist daß die Lage seines Gesichtsfeldes im Vergleich zu der des Zeilenabtasters bekannt ist Vor dem Radiometer R ist eine drehbare Lochscheibe LS angeordnet durch die das Radiometer wechselweise die Meßstrahlung durch die öffnungen MS und die Strahlung der beiden Eichstrahler ES 1 und ES 2 mißt Mit der Eichstrahlung wird Jas Radiometer selbst intern absolut kalibriert Diese Meßstrahlung wird mit der Meßstrahlung verglichen, die der Zeilenabtaster vom gleichen Gegenstandsausschnitt aufnimmt. Eine kontinuierliche Bewegung der Lochscheibe bringt insbesondere im Weltraum Vorteile, da sie keine Zusatzbeschleunigungen bewirkt

Fig.6 zeigt den Abtaststreifen des Zeilenabtasters ZA mit einer eingezeichneten Zeile Z und die Eichspur ESP des Kalibrierungs-Radiometers KR. Die Ei-hspur ist unterbrochen, weil in den Zwischenzeiten das Radiometer die Eichstrahiung für die interne Kalibrierun_e mißt

Bei dem in F i g. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in F i g. 5 ein Drehspiegel DS vorgesehen, der vor dem Radiometer R rotiert Auch dadurch werden wechselweise die Meßstrahlung und die Eichstrahlung von den Eichstral.-lern ES 1 und ES 2 dem Radiometer zugeführt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Drehspiegel $0 als zweiflächiges 45° -Spiegelprisma ausgebildet. Bei einer einmaligen Umdrehung des Drehspiegels werden die Meßstrahlung und die zwei Eichstrahlungen dem Radiometer je zweimal zugeführt Je nach Erfordernissen kernen auch ein-, drei- und mehrflächige Drehspiegel verwendet werden. Mit dieser Ausführungsform kann im Unterschied zu der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform auch eine Abtastung in Streifenform vorgenommen werden, wobei die Zahl der Spiegelflächen des Drehspiegels die Ausdehnung des Abtastbereiches bestimmt. Im Prinzip kann eine Abtastung auch mit der in F i g. 5 dargestellten Einrichtung erfolgen, wenn diese quer zur Flugrichtung hin- und hergeschwenkt werden kann. Wegen der dabei auftretenden Beschleunigungen empfiehlt sich dieses Verfahren jedoch nicht für dien Einsatz im Weltraum.

In Fig.ö ist der von dem Zeilenabtaster ZA erfaßte Gegenstandsstreifen dargestellt, mit einer Abtastzeile Z und mit dem in diese Zeile fallenden Abtastbereich des

Radiometers, welcher dem nicht schraffierten Teil der Zeile entspricht. Wird der Drehspiegel so ausgelegt, daß mit dem zusätzlichen Radiometer die gesamte Zeilenbreite abgetastet werden kann, so läßt sich auf diese Weise eine an sich bekannte opto-elektronische Kamera (Biidmessung und Luftbildwesen 47, 33-40 [1979]) kalibrieren.

Fig. 9 zeigt die Kalibrierung für den Fall eines bekannten Stereo-Zeilenablasters (DE-OS 28 33 808). Die Achse des in Fig. 7 dargestellten Drehspiegels DS verläuft hier horizontal und senkrecht zur Flugrichtung, so daß die Abtastung des zusätzlichen Radiometers in Flugrichtung erfolgt. Auf diese Weise können sowohl Kalibrierungen für die nach vorn als auch für die nach hinten gerichteten Abtastebenen ZVund ZR vorgenommen werden. Die schraffierten Teile der Abtastspur deuten an, daß bei den entsprechenden Stellungen des Drehspiegels interne Kalibrierungen mit den eingebauten Eichstrahlern möglich sind.

rig. lu Zcigi ciircM nü55Ciiniii 3U3 CiHGr VGm CinCiTi

Zeilenabtaster erfaßten Fläche mit den einzelnen vermessenen Flächenelementen (als kleine Quadrate dargestellt) und schraffiert die Meßfläche eines zusätzlichen Radiometers mit wesentlich geringerer Auflösung. Diese gestattet, ein im Vergleich zu dem eines hoch auflösenden Zeilenabtasters viel kleineres 5 optisches System zu verwenden. Damit reduziert sich auch die Größe der Eichstrahler und dementsprechend der dafür erforderliche Aufwand. Bei der Kalibrierung des Zeilenabtasters mit dem zusätzlichen Radiometer wird dann der Mittelwert aller Meßwerte von den in

ίο dem schraffierten Feld liegenden Flächenelementen genutzt, gegebenenfalls mit entsprechender Wichtung der in den Randbereichen des Radiometers nur teilweise erfaßten Flächenelemente. Eine genaue Kenntnis der von dem zusätzlichen Radiometer erfaßten Fläche ist erforderlich.

Unterschiedliche Spektralkanäle des Zeilenabtasters können entweder mit mehreren Spektralkanälen in einem einzigen zusätzlichen Radiometer kalibriert werden oder mit mehreren zusätzlichen Radiometern,

Spektralkanäle aufweisen. Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kalibrierung von Abtastern während ihres Betriebes, insbesondere von Zeilenabtastern für Luft- oder Raumfahrzeuge, bei denen die Kalibrierung durch eine radiometrische Vergleichsmessung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung durch Vergleich des Signals des Abtasters mit dem Signal mindestens eines zusätzlichen Radiometers von jeweils demselben Meßobjekt erfolgt

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Kalibrierung der Strahlungsnacbweiseinrichtung von Abtastern während ihres Betriebes, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens sin zusätzliches Kalibrierungs-Radiometer vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Kalibrierungs-Radinmeter mit einem oder mehreren Eichstrahlern intern absolut kafihrierbar sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Kalibrierungs-Radiometer auf einen definierten Ausschnitt des Meßobjekts fest ausgerichtet oder beweglich ausrichtbar sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Kalibrierungs-Radiometer eine Abtastung durchfuhrbar ist

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung mit dem Kalibrierungs-Radiometer mittels eines beweglichen Spieg««s durchführbar ist, über den die Eichstrahler eingespiegelt wei 'en.

7. Einrichtung nach ehern der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Auflösung mindestens eines Kalibrierungs-Radiometers geringer als die des zu kalibrierenden Systems ist

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Kalibrierungs-Radiometer dieselben Spektralkanäle wie das zu kalibrierende System aufweisen.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Kalibrierungs-Radiometer außer den Spektralkanälen des zu kalibrierenden Systems zusätzliche Spektralkanäle aufweisen.