DE3601537C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum radiometrischen Kalibrieren einer Vielzahl zeilen- oder flächenförmig ange­ ordneter, optoelektronischer Sensoren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Anordnung zur Durchführung die­ ses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Derartige Sensoren werden in großer Vielzahl bei der Fern­ erkundung der Erde oder der Erfassung globaler metereologi­ scher Daten sowie bei der Satellitenlageregelung eingesetzt. Da hierbei einige 1000 bis einige Millionen Sensoren zeilen- und/oder flächenförmig angeordnet werden und zusammenwirken, muß, um radiometrisch auswertbare Bild­ daten zu erhalten, ein jeder Sensor bezüglich seiner Dun­ kelstrom- und Empfindlichkeitscharakteristik gemessen und gegenüber einem Sollwert korrigiert werden. Darüber hinaus ist bedingt durch die langen Vorbereitungszeiten bei Raum­ fahrtmissionen ein Schutz der optischen Komponenten vor mechanischen Einwirkungen während der Integrations- und Vorbereitungszeit sowie während der Startphase unerläßlich.

Es wurde bereits versucht, solche Flächen- und Zeilensenso­ ren bereits vor dem Start im Labor zu kalibrieren, wobei jedoch künstliche Strahlungsquellen verwendet werden müs­ sen, die die tatsächlichen Einsatzbedingungen im All nur simulieren können, da sie eine andere spektrale Zusammen­ setzung aufweisen. Ferner ist der lange Zeitraum zwischen dem Kalibrieren und dem tatsächlichen Einsatz der Sensoren nachteilig.

Es wurde ferner bereits versucht, die Sensoren nahe der operationellen Sequenz in situ zu kalibrieren, wobei entwe­ der die Sonne oder andere natürliche Strahlungsquellen als Eichquelle verwendet werden und wobei ein Abschwächer und ein einziger steifer Diffusor oder eine Integrationskugel in den optischen Strahlengang vor den Sensoren eingebracht werden. Dazu ist jedoch eine relativ schwere Anordnung er­ forderlich, die außerdem verhältnismäßig langsam arbeitet und nur das Kalibrieren eines einzigen Punktes auf der Empfindlichkeitskennlinie eines jeden Sensors ermöglicht. Zusätzlich resultierende Forderungen an die Ausrichtung der Satelliten während des nur einmal pro Umlauf möglichen Kalibrierens können bei diesen Verfahren nur mit großem Aufwand erfüllt werden.

Eine andere Möglichkeit die Sensoren in situ zu kalibrie­ ren besteht darin, eine Eichquelle mitzuführen. Jedoch tritt hierbei noch der Nachteil auf, daß derartige Quellen ein deutlich unterschiedliche Spektralcharakteristik im Vergleich zu dem zu beobachtenden Objekt aufweisen und das Langzeitverhalten derartiger Eichquellen nicht hinreichend genau bekannt ist. Ferner ist es bei einem derartigen Ver­ fahren auch nicht möglich, die gesamte Systemkette der Sen­ soren zu kalibrieren.

Zum Schutz der optischen Komponenten vor mechanischen Ein­ wirkungen wird entweder ein mechanisch bewegter steifer Verschluß eingesetzt oder ein später absprengbarer Deckel mitgeführt, die sich nicht für Kalibrationsmessungen eig­ nen.

Aus der DD-PS 1 58 189 ist ein Kalibrierungsverfahren für Bestrahlungsstärke- und Strahldichtemessungen z. B. für die Fernerkundung der Erde bekannt, wobei ein geeignetes Spek­ tralfotometer mit einer Meßblende durch Vorsatz eines Son­ nenobjektivs bezüglich der bekannten extraterestischen spektralen Energieverteilung der Sonne kalibriert wird und dann mit Hilfe der mit einem auswechselbaren kalibrierten Sonnenobjektiv ermittelten Eichfaktoren nacheinander als optische Vorsätze Streuscheibe und auswechselbare Weitwin­ kelobjektive an die extraterestische Energieverteilung an­ geschlossen werden. Bei der Ausrichtung des Objektives auf die Sonne ist dabei ein Kippspiegel so einzustellen, daß die Sonnenstrahlung Verlaufsinterferenzfilter auf einem matheserkreuzgetriebenen Filterrad durchsetzt, wobei schrittweise die einzelnen Filterorte in den vom Kippspie­ gel umgelenkten Strahlengang des Sonnenobjektivs gebracht werden, wodurch nacheinander die Sonne spektral in die Ebene der nachgeordneten Meßblende abgebildet wird. Dabei überstrahlt die Sonnenstrahlung einen Detektor und erzeugt hier ein Signal, das am Ausgang eines Verstärkers die Transmission der Atmosphäre zu bestimmen gestattet. Anschließend wird das Sonnenobjektiv gegen ein Weitwinkel­ objektiv ausgetauscht und die gesamte Vorrichtung so gekippt, daß die Streuscheibe senkrecht nach oben, das Weitwinkelobjektiv hingegen senkrecht nach unten gerichtet ist, wobei in dieser Meßposition wechselweise die Global­ strahlung über die Streuscheibe und die reflektierte Strah­ lung über das Weitwinkelobjektiv gemessen werden.

Aus der DE-AS 10 97 165 ist eine Vorrichtung zur optischen Dämpfung von Lichtströmen für Lichtmeßzwecke bekannt, die mehrere lichtundurchlässige parallel angeordnete Streifen aufweist, die auf der Bahn des einfallenden Lichtbündels angeordnet sind und ein Mittel zur Verbindung der Streifen aufweist, die eine Veränderung des Winkels zwischen den Ebenen der Streifen und der Achse des Lichtbündels erlaubt, wobei die Streifen starr in einem verstellbaren Rahmen gehalten sind; die Streifen können dabei Teile eines Bandes sein, das zwischen einem Rand und dem gegen­ überliegenden Rand des Rahmens in Mäanderlinien verläuft.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zum radiometrischen Kalibrie­ ren optoelektronischer Sensoren zu schaffen, das einfach, schnell und genau durchführbar ist, das ein Kalibrieren der Sensoren vor und während ihres tatsächlichen Einsatzes er­ möglicht und gleichzeitig den mechanischen Schutz der opti­ schen Komponenten gewährleistet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den in den kennzeich­ nenden Teilen der Ansprüche 1 und 3 angegebenen Merkmalen; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung weist den Vorteil auf, daß sie insbesondere beim Einsatz in Satelliten für die Erdfernbeobachtung die zum Kalibrieren erforderliche Strahlung vom zu beobachten­ den Objekt verwendet, das genau die spektrale Charakte­ ristik aufweist, die es zu beobachten gilt. Das Kalibrie­ ren mit verschiedenen Helligkeitswerten bietet den Vorteil, daß die Bestimmung der Empfindlichkeitskennlinie der ein­ zelnen Sensoren an mehreren Punkten erfolgt.

Ferner ist eine in situ Wahl von Aufnahmeparametern mög­ lich, so daß auch während längerer Aufnahmezyklen ein Nach­ kalibrieren unter Verzicht auf nur sehr kurze Szenenfre­ quenzen ermöglicht wird.

Die erfindungsgemäße Anordnung weist ferner ein geringes Gewicht bei einfachem Aufbau auf und gewährleistet während der Vorbereitungs- und Startphase eines Satelliten den not­ wendigen Schutz der optischen Komponenten vor mechanischen Einflüssen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der vorteilhafte Ausführungsbeispiele darge­ stellt sind. Es zeigt

Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch eine erfin­ dungsgemäße Anordnung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Diffusorträger für den sichtbaren Spektralbereich und

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Diffusorträger für den thermischen Bereich.

Bei der in Fig. 1 gezeigten schematischen Darstellung ist mit 1 eine Vielzahl von flächen- und zeilenförmig angeord­ neten Sensoren bezeichnet, die zusammenwirken und z. B. der Beobachtung der Erde dienen. Mit 2 ist eine zugehörige Ab­ bildungsoptik bezeichnet, die die von einem zu beobachten­ den Objekt stammenden Strahlung 3 auf die Sensoren fokus­ siert. Aufgrund der großen Anzahl von Sensoren ist es er­ forderlich um radiometrisch auswertbare Bilddaten zu erhal­ ten, daß jeder Sensor bezüglich seiner Dunkelstrom- und seiner Empfindlichkeitscharakteristik kompensiert wird. Zu diesem Zweck wird die vom zu beobachtenden Objekt stammende Strahlung 3 selbst verwendet, die einen Diffusorträger 6 durchsetzt mit einer Vielzahl von Abschnitten, von denen einige mit Diffusoren versehen sind. Der Diffusorträger wird durch eine Vielzahl von obe­ ren Umlenkrollen 4 und unteren Umlenkrollen 5 derart ge­ führt, daß er senkrecht zur Richtung der Strahlung 3 vor der Abbildungsoptik 2 verläuft, wobei wenigstens eine der Umlenkrollen antreibbar ist.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Diffusorträger 6 für den sichtbaren Spektralbereich. Der Diffusorträger weist eine Vielzahl von Abschnitten auf, von denen ein Teil mit Diffusoren 8, 9, 10 versehen sind, die eine unterschiedli­ che Durchlässigkeit für die auftreffende Strahlung aufwei­ sen. Durch entsprechendes Verschieben des als flexibles transparentes und/oder diffuses Band 6 ausgebildeten Diffu­ sorträgers kann schnell und problemlos jeder Diffusor vor der Abbildungsoptik 2 geschoben werden. Das Kalibrieren der Sensoren mit den unterschiedlichen Helligkeitswerten ver­ schiedener Diffusoren 8, 9, 10 ermöglicht nun die Bestim­ mung der Empfindlichkeitskennlinie bzw. der Dunkekstrom­ charakteristik an mehreren Punkten. Der über den eingefah­ renen Diffusor 8, 9, 10 erhaltene Wert der integralen Strahlungsleistung ist dabei ein Maß für eine geeignete Wahl der elektronischen Nachverarbeitung und Aufnahmepara­ meter in situ, die nahezu zeitgleich erfolgt.

Neben den Abschnitten mit den Diffusoren unterschiedlicher Durchlässigkeit 8, 9, 10 ist auf dem Diffusorträger 7 auch ein für Strahlung undurchlässiger Abschnitt 7 vorgesehen, der sowohl zur Dunkelstrommessung dient als auch als mecha­ nischer Schutz während der Vorbereitungs- und Startphase des Satelliten. Ferner ist für die Aufnahmesequenzen des zu beobachtenden Objektes nach erfolgtem Kalibrieren min­ destens ein freier Abschnitt 11 vorgesehen, durch den die Strahlung 3 zur Beobachtung des Objektes ungehindert auf die Sensoren 1 fällt.

Der Diffusorträger 6 kann, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, nicht nur in einer, sondern auch in mehreren Ebenen den Strahlengang 3 durchsetzen, so daß eine geeignete Kombina­ tion der einzelnen Diffusoren miteinander möglich ist.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf einen flexiblen Diffusor­ träger 6, der mit einer Vielzahl von Abschnitten mit Diffusoren für den thermischen IR-Bereich versehen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann z. B. der Abschnitt 14 einseitig verspiegelt sein, wobei seine andere Seite geschwärzt ist, so daß sich die Sensoren zur Dunkelstrom­ messung durch die Verspiegelung selbst sehen. Bei den daneben angeordneten Diffusoren 12 kann z. B. die Außenseite verspiegelt sein, um so die Sensoren zu kalibrieren. Mit 13 ist wieder ein freier Abschnitt bezeichnet, durch den die auftreffende Strahlung 3 ungehindert auf die diesmal thermisch sensiblen Sensoren fällt. Mit 15 ist wieder ein Abschnitt geringer Durchlässigkeit für die auftreffende Strahlung bezeichnet. Die Abschnitte 16, 17 können bei diesem Ausführungsbeispiel mit einer Heizfolie unter­ schiedlicher Leistung zum Kalibrieren der thermischen Sensoren versehen sein. Mit 18 ist wieder ein freier Abschnitt bezeichnet.

Anstelle der Heizfolie 16, 17 kann auch ein anderer Flä­ chenstrahler definierter Wärmeleistung vorgesehen sein.

Es ist ferner noch möglich, bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel neben der Sensoranordnung 1 einen zu­ sätzlichen geeichten Einzelsensor vorzusehen, um so ein absolutes radiometrisches Kalibrieren der einzelnen Senso­ ren zu ermöglichen.

Claims (6)

1. Verfahren zum radiometrischen Kalibrieren einer Viel­ zahl zeilen- oder flächenförmig angeordneter, optoelek­ tronischer Sensoren, die zur Bestimmung ihrer Dunkel­ strom- und Empfindlichkeitscharakteristik von einer Strahlungsfrequenz beaufschlagt werden, deren Strahlung einen im Strahlengang angeordneten Diffusor durchsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß als Diffusor eine Vielzahl von Abschnitten unterschiedlicher Strahlungsdurchlässig­ keit verwendet werden, die auf einem vor der Abbildungs­ optik der Sensoren angeordneten, Schutz gegen mechani­ sche Beschädigungen der Sensoren und ihrer Abbildungs­ optik der Sensoren angeordneten, Schutz gegen mechani­ sche Beschädigungen der Sensoren und ihrer Abbildungsop­ tik bietenden Diffusorträger aufgebracht sind und die nacheinander in den Strahlengang für die Sensoren einge­ fahren werden, und daß unter Verwendung des zu beobach­ tenden Strahlungsobjektes als Strahlungsreferenz für je­ den Abschnitt der integrale Strahlungsmeßwert eines je­ den Sensors festgestellt und elektronisch die Dunkel­ strom- und Empfindlichkeitscharakteristik erstellt wird, mit der der jeweilige Sensor korrigiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Dunkelstromcharakteristik eines jeden einzelnen Sensors mindestens ein für die zu beobachtende Strah­ lung undurchlässiger Abschnitt in den Strahlengang ein­ gefahren wird.

3. Anordnung zum radiometrischen Kalibrieren einer Viel­ zahl zeilen- oder flächenförmig angeordneter, optoelektro­ nischer Sensoren zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Abschnitten (7 bis 11) mit unterschied­ licher Strahlungsdurchlässigkeit nebeneinander auf einem Diffusorträger (6) aufgebracht ist, der vor der Abbildungs­ optik (2) der Sensoren (1) angeordnet ist und Schutz gegen mechanische Beschädigungen der Sensoren (1) und ihrer Ab­ bildungsoptik (2) bietet und der aus einem bahnförmigen, transparenten und/oder diffusen, flexiblen Material be­ steht, daß der Diffusorträger (6) wenigstens einen Ab­ schnitt (7) aufweist, der für die zu beobachtende Strahlung undurchlässig ist und wenigstens einen Abschnitt (11) auf­ weist, der für die zu beobachtende Strahlung vollständig ist, und daß die Abschnitte (7 bis 11) durch eine Antriebs­ vorrichtung (4, 5) in den Strahlengang vor die Sensoren (1) einfahrbar sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Kalibrieren thermischer Sensoren wenigstens ein Abschnitt (14) des Diffusorträgers (6) auf der dem Sensor (1) zuge­ wandten Seite verspiegelt ist, so daß sich die Sensoren zur Dunkelstrommessung auf sich selbst abbilden.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt (16, 17) des Diffusorträgers (6) mit einem ther­ mischen Strahler versehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Strahler eine Heizfolie ist.