DE3639541A1 - Einrichtung zur kalibrierung abtastender radiometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kalibrierung ab­ tastender Radiometer während des Betriebs, insbesondere von Zeilenabtastern für Luft- und Raumfahrzeuge, nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Eine Abtastung von Objekten, beispielsweise der Erdoberflä­ che oder der darüber befindlichen Atmosphäre, zur Herstellung von Bildern oder auch zur Gewinnung von Meßdaten wird in den unterschiedlichsten Spektralbereichen, so beispielsweise im sichtbaren oder im Infrarotbereich durchgeführt. Die Abta­ stung selbst kann hierbei so vorgenommen werden, daß sich gerade Zeilen quer zur Fortbewegungsrichtung eines Geräte­ trägers, beispielsweise eines Luft- oder Raumfahrzeugs, in Flugrichtung aneinander anschließen, so daß die Fortbewegung des Geräteträgers eine flächenhafte Aufnahme bewirkt.

Bei einem tatsächlich oder scheinbar ortsfesten Geräteträ­ ger, beispielsweise bei einem geostationären Satelliten, kann eine flächenhafte Aufnahme durch eine quer zur Zeilen­ richtung erfolgende Winkeländerung des Aufnahmesystems nach jeder Zeile erfolgen, welche so groß ist, daß die Abtastzei­ len aneinander anschließen. Bei einem solchen System wird nach erfolgter Abtastung eines Objekts, beispielsweise der gesamten Erdkugel oder Teilen davon, ein spiegel für die nächste Aufnahme in verhältnismäßig kurzer Zeit in seine An­ fangsposition zurückgeführt, ohne daß dabei eine Abtastung erfolgt.

Die radiometrische Konstanz derartiger Geräte reicht jedoch für genaue quantitative Meßdaten in der Regel nicht aus. Deshalb ist eine laufende Kalibrierung während des Betriebs erforderlich. Diese kann mit Eichstrahlern durchgeführt wer­ den, die vor der Optik angebracht und die dann bei je­ der Aufnahmezeile zusätzlich miterfaßt werden (siehe DE 31 02 880).

Zur Steigerung der radiometrischen Empfindlichkeit und der optischen Auflösung werden heute so große optische Systeme verwendet, daß eine Anbringung von Eichstrahlern vor diesen nicht mehr möglich ist. Kalibrierungen mit Eichstrahlern hinter der Optik führen jedoch zu fehlerhaften Ergebnissen, weil sie den Einfluß der optischen Systeme auf das Gesamt­ system nicht berücksichtigen.

Deshalb ist in der DE 31 02 880 ein zusätzliches sogenanntes Kalibrierungs-Radiometer vorgesehen, welches die gleichen Objekte wie das abtastende Radiometer aufnimmt. Das Kali­ brierungs-Radiometer besitzt jedoch eine wesentlich kleinere Optik und kann damit während des Betriebs, beispielsweise durch zeitweise vor die Optik zu bringende Eichstrahler, ab­ solut kalibriert werden. Wegen der kleineren Optik muß der Öffnungswinkel des Kalibrierungs-Radiometers allerdings we­ sentlich größer sein als beim abtastenden Radiometer.

Wie in der DE 31 02 880 im einzelnen beschrieben, wird ein Eichvorgang so durchgeführt, daß mit Hilfe des absolut kali­ brierten Kalibrierungs-Radiometers der Absolutwert der Strahlung innerhalb des (verhältnismäßig großen) Sichtfeldes des Radiometers bestimmt wird. Dieser Absolutwert wird dann mit dem Mittelwert aller Bildelemente (Pixels) des abtasten­ den Radiometers verglichen, die im Sichtfeld des Kalibrie­ rungs-Radiometers liegen und etwa gleichzeitig aufgenommen werden. Auf diese Weise läßt sich durch die Anwendung des aus der DE 31 02 880 bekannten Verfahrens auf Objekte, die unterschiedliche Strahlung emittieren oder reemittieren, die Eichkurve des abtastenden Radiometers bestimmen oder im Labor aufgenommene Eichkurven kontrollieren und gegebenen­ falls korrigieren.

Die Verwendung von zwei Radiometern, nämlich eines abtasten­ den Radiometers und eines Kalibrierungs-Radiometers kann zu Schwierigkeiten führen. Beispielsweise können sich in man­ chen Fällen durch das zusätzliche Radiometer Gewichts- und Raumprobleme ergeben; ferner kann es Probleme geben, wenn exakt die gleiche spektrale Empfindlichkeit gefordert wird.

Darüber hinaus können Probleme hinsichtlich der Funktions­ sicherheit auftreten. So kann beispielsweise das Kalibrie­ rungs-Radiometer ausfallen, während das abtastende Radiome­ ter noch funktionsfähig ist und umgekehrt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung zur Kalibrierung abtastender Radiometer während des Betriebs zu schaffen, bei welcher die auf die Verwendung von zwei Radio­ metern zurückzuführenden Nachteile weitgehend beseitigt sind. Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß für das abtastende und kalibrierende Radiometer derselbe Detektor bzw. bei Mehrfachdetektoren dieselben Detektoren, Filter usw. verwendet werden. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird in bestimmten Zeitabständen der Strah­ lengang des abtastenden Radiometers so geändert, daß anstel­ le des Signals, das von der Optik des Abtasters kommt, ent­ weder das Signal, welches von der Optik des Kalibrierungs- Radiometers stammt, auf den Detektor bzw. die Detektoren gelenkt wird, oder die von der Erde kommende Strahlung auf die für das abtastende und das Kalibrierungs-Radiometer ge­ meinsame Optik und den Detektor bzw. die Detektoren gelenkt wird. Hierbei bringt gerade die zuletzt angegebene Möglich­ keit den Vorteil mit sich, daß die Optik des Kalibrierungs- Radiometers beispielsweise zu einer Nachfokussierung im Ab­ taster benutzt werden kann und/oder eine wellenlängenabhän­ gige Durchlässigkeit oder Reflexion sich nicht nachteilig bemerkbar macht, weil sie sowohl auf das abtastende als auch auf das Kalibrierungs-Radiometer wirken. Bei der angegebenen Möglichkeit, bei der das abtastende und das Kalibrierungs- Radiometer die Optik und das Detektorsystem gemeinsam benut­ zen, könnte beispielsweise als Optik für das Kalibrierungs- Radiometer auch eine Linsenanordnung akzeptiert werden. Bei beiden vorstehend angeführten Möglichkeiten kann die Umlen­ kung entweder in bestimmten Zeitabständen, beispielsweise auf ein Kommando hin oder auch in einem festen, veränderba­ ren Takt erfolgen.

Die Umlenkung im Taktverfahren wird vorzugsweise bei einem Abtaster angewendet, der sich relativ zum aufzunehmenden Ob­ jekt bewegt, sich also beispielsweise in einem Flugzeug oder auf einem Raumflugkörper mit einer nicht geostationären Um­ laufbahn befindet. In diesem Fall kann die Umlaufgeschwin­ digkeit des Abtastspiegels (oder einer Einrichtung, bei wel­ cher in anderer Weise die Abtastung durchgeführt wird) so gewählt werden, daß sich nicht Abtastzeile an Abtastzeile fügt, sondern daß die Umlaufgeschwindigkeit größer, bei­ spielsweise doppelt so groß ist.

Auf diese Weise kann dann beispielsweise bei jedem zweiten Umlauf des Abtastspiegels eine Umlenkung auf das Kalibrie­ rungs-Radiometer erfolgen, ohne daß Lücken in der Abtastfol­ ge entstehen. Für die Umlenkung auf das Kalibrierungs-Radio­ meter kann aber auch die sogenannte Totzeit des Abtastspie­ gels ausgenutzt werden, in welcher dieser nicht auf das ab­ zutastende Objekt gerichtet ist.

Die Umlenkung durch ein Steuersignal ist beispielsweise bei einem Abtaster in absoluter oder relativer ortsfester Posi­ tion, beispielsweise bei einem Abtaster auf einem geostatio­ nären Satelliten, vorteilhaft. Die Umlenkung auf das Kali­ brierungs-Radiometer kann beispielsweise dann erfolgen, wenn das optische System nach Aufnahme der gesamten Erde in seine Anfangsposition zurückläuft.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Aus­ führungsformen unter Bezugnahme auf die Zeich­ nungen im einzelnen erläutert. Es zeigen

Fig. 1A und 1B schematisch Schnittdarstellungen durch einen Abtaster nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 einen Abtaster nach Fig. 1A und 1B zusammen mit einem Kalibrierungs-Radiometer;

Fig. 3 schematisch eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ein­ richtung, und

Fig. 4 schematisch eine Schnittdarstellung einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung.

In Fig. 1A und 1B weist ein Abtaster ein um eine Achse A ro­ tierendes Spiegelprisma DS, eine Spiegeloptik O, ein Strah­ lungsdetektorsystem D , welches ein optisches Filter, eine Zusatzoptik usw. einschließt, und einen Eichstrahler ES auf.

In Fig. 1A ist die Stellung des Spiegelprismas DS bei einer Abtastung senkrecht nach unten dargestellt, während in Fig. 1B die Abtastung bei einer Kalibrierung mittels des Eichstrahlers ES gezeigt ist. Während des Betriebs läuft das Spiegelprisma DS kontinuierlich um.

In Fig. 2 ist der gleiche Abtaster wie in Fig. 1A und 1B zu­ sammen mit einem Kalibrierungs-Radiometer KR dargestellt. Das Kalibrierungs-Radiometer KR weist eine Optik OK, ein De­ tektorsystem DK, welches optische Filter, eine Zusatzoptik u. ä. einschließt sowie einen eingebauten Eichstrahler ESK auf. Zum Kalibrieren kann der Eichstrahler ESK des Kalibrie­ rungs-Radiometers KR vor die Optik OK geschoben oder in die­ se Lage gedreht werden. Der Eichstrahler ESK in Fig. 2 weist erheblich kleinere Abmessungen auf als der Eichstrahler ES in Fig. 1A und 1B.

In Fig. 3 ist in einer schematischen Schnittdarstellung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung wiederge­ geben. Das rotierende Spiegelprisma DS rotiert auch bei die­ ser Ausführungsform um die Achse A. In Fig. 1 ist die Stel­ lung des Spiegelprismas DS wiedergegeben, in welcher es (DS) die senkrecht von unten kommende Strahlung aufnimmt. Diese Strahlung wird von der Spiegeloptik O auf das Detektorsystem D fokussiert, das ebenfalls wieder optische Filter, eine Zu­ satzoptik usw. aufweist.

Sobald der Umlenkspiegel US aus dem Strahlengang entfernt wird, trifft die Strahlung des jetzt nur noch aus der Optik OK und dem Eichstrahler ESK bestehenden Kalibrierungs-Radio­ meters KR auf das Detektorsystem D auf. Die Optik OK ist hier aus Gründen der Übersichtlichkeit als Linsensystem wie­ dergegeben; in der Praxis ist jedoch ein Spiegelsystem vor­ zuziehen, wenn für das abtastende und Kalibrierungs-Radiome­ ter KR exakt die gleiche, spektrale Empfindlichkeit verlangt wird.

In Fig. 4 ist ebenfalls in einer schematischen Schnittdar­ stellung eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung wiedergegeben, welche weitgehend der Ausfüh­ rungsform der Fig. 3 entspricht. Der einzige Unterschied zwi­ schen den beiden Ausführungen nach Fig. 3 und 4 besteht darin, daß in Fig. 4 die Optik OK außerhalb des Strahlengangs von dem Spiegelprisma DS und der Spiegeloptik O zwischen dem Umlenkspiegel US und dem Detektorsystem D angeordnet ist. Aufgrund dieser Anordnung der Optik OK ergibt sich der Vor­ teil, daß sowohl die Optik OK als auch das Detektorsystem D sowohl von dem abtastenden Radiometer als auch von dem Ka­ librierungs-Radiometer benutzt werden. Wie in der Beschrei­ bungseinleitung bereits ausgeführt, ergibt sich dadurch der Vorteil, daß die Optik des Kalibrierungs-Radiometers bei­ spielsweise zu einer Nachfokussierung benutzt werden kann und/oder daß ferner eine wellenlängenabhängige Durchlässig­ keit oder Refelxion sich nicht nachteilig bemerkbar macht, da sich diese sowohl auf das abtastende als auch auf das Kalibrierungs-Radiometer auswirken. Im Unterschied zu der Ausführungsform nach Fig. 3 könnte daher bei der Ausführungs­ form nach Fig. 4 als Optik OK für das Kalibrierungs-Radiome­ ter KR durchaus auch eine Linse oder ein Linsensystem akzep­ tiert werden.

Claims (6)

1. Einrichtung zur Kalibrierung abtastender Radiometer wäh­ rend des Betriebs, insbesondere von Zeilenabtastern für Luft- und Raumfahrzeuge, bei welcher die Kalibrierung durch eine radiometrische Vergleichsmessung, nämlich durch einen Vergleich der Signale eines abtastenden Radiometers und min­ destens eines zusätzlichen Radiometers (eines sogenannten Kalibrierungs-Radiometers) von jeweils demselben Meßobjekt erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß für das abtastende Radiometer und das Kalibrierungs-Radiometer (KR) dasselbe Detektorsystem (D) benutzt ist oder die gleichen Detektorsysteme benutzt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strahlengang hinter der Optik (O) des abtastenden Radiometers so umlenkbar ist, daß statt des Signals des abtastenden Radiometers das von der Optik (OK) des Kalibrierungs-Radiometers (KR) kommende Signal auf das Detektorsystem (D) gelenkt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strahlengang hinter der Optik (O) des abtastenden Radiometers so umlenkbar ist, daß statt des Signals des abtastenden Radiometers die von der Erde kommen­ de Strahlung auf die Optik (OK) und das Detektorsystem (D) gelenkt wird, welche Elemente (OK; D) dem abtastenden Radio­ meter und dem Kalibrierungs-Radiometer (KR) gemeinsam sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenumlenkung durch ein Steuerkommando erfolgt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenumlenkung in einem festen oder veränderbaren Takt erfolgt.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Detektorsystem Mehrfachdetektoren oder Detektorarrays aufweist.