DE3840762A1

DE3840762A1 - Verfahren und vorrichtung zum abtasten einer gelaendeoberflaeche

Info

Publication number: DE3840762A1
Application number: DE19883840762
Authority: DE
Inventors: Otto Dr Hofmann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1987-09-22
Filing date: 1988-12-03
Publication date: 1989-07-13

Description

Die Erfindung betrifft eine Erweiterung und Verbesserung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Abtastung der Geländeoberfläche und/oder anderer Objekte quer zur Flug- bzw. Bewegungsrichtung eines Flugzeuges oder Flugkörpers mit einem Abtaster, der mehrere, in einer Reihe quer zur Abtastrichtung angeordnete, gleich große Einzeldetektoren enthält. Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind in der deutschen Patentanmeldung P 38 29 300.5-31 "Verfahren und Vorrichtung zur Abtastung eines Objektes" beschrieben.

Mit diesem Verfahren wird, unabhängig von der Objektentfernung bzw. vom Abtastwinkel, ein regelmäßiges Pixelraster erzeugt, das gleich große Standard-Pixel B aufweist, lückenlos und überdeckungsfrei ist. Im Prinzip wird dieses regelmäßige Standard-Pixelraster durch Resampling des unmittelbar gemessenen Elementarpixel-Rasters gewonnen.

Um stets gleich große Standardpixel B und ein lückenloses und überdeckungsfreies Pixelraster zu erhalten, muß der Resampling-Prozeß in Abhänigkeit von der Flughöhe h verändert werden. Außerdem ist mit veränderlicher Fluggeschwindigkeit v die Abtastgeschwindigkeit und demzufolge auch die Pixelfrequenz des Detektors zu verändern. Diese Veränderungen bringen Nachteile mit sich, da die Programmsteuerung des Resampling-Prozesses variabel und daher aufwendiger werden muß. Die Änderung der Detektor-Pixelfrequenz muß durch eine entsprechende Bandbreite der Detektor-Elektronik aufgefangen werden.

Ein weiterer Gesichtspunkt ist zu bedenken. Die sehr unterschiedlichen Abtastentfernungen bei niedrigen Flughöhen (z. B. E _max = 2500 , E _min = h = 50 M) erfordern bei dem gewählten Verfahren, daß zur Bildung eines Standard-Pixels B bei E _min 0 h relativ viele Detektorpixel k = E _max/E _min benötigt werden. Daraus folgt, daß für einen Abtaststreifen mit n Zeilen der Sensor entsprechend viele, d. h. M = k · n Einzeldetektoren enthalten muß. Dies führt unter gewissen Umständen zu Detektorzahlen, die nicht verfügbar sind.

Erfindungsgemäß werden diese Probleme dadurch gelöst, daß der Abtaster eine mit der Flughöhe h und der Fluggeschwindigkeit v gesteuerte, veränderliche System-Brennweite F und Abtastgeschwindigkeit U erhält.

Im folgenden werden die diesbezüglichen funktionellen Zusammenhänge abgeleitet und die gewählten Bezeichnungen erläutert. Hierbei wird auf die Zeichnung Bezug genommen. Es stellt dar

Fig. 1 ein zweigliedriges optisches System mit variabler Systembrennweite für eine Vorrichtung zum Abtasten einer Geländeoberfläche gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Abtasten einer Geländeoberfläche.

Es wird dabei ein Abtaster angenommen, der eine oder mehrere rotierende Reflexionsflächen enthält und dessen Drehachse in Flugrichtung (rechtwinklig zur Abtastrichtung) und dessen optische Achse(n) in der Abtastebene (d. h. rechtwinklig zur Flugrichtung) liegen.

F [mm] Systembrennweite des Abtasters
M Zahl der Einzeldetektoren des Abtasters
p [mm] Größe der Einzeldetektoren
t [s] Belichtungs-Intervall bzw. Integrationszeit der Detektoren

E[m] Objektentfernung
U [1/s] Umdrehungszahl des Abtasters
r Zahl der Reflexionsflächen des Abtasters (= Zahl der Abtastungen für eine Umdrehung des Abtasters)
v [m/s] Fluggeschwindigkeit
h [m] Flughöhe
B=B _x [m] Standard-Objektpixelgröße
n Zahl der parallelen Abtastzeilen der Breite B einer Abtastung
E _max [m] Maximalentfernung
E _min [m] Minimalentfernung

Es ergeben sich folgende Beziehungen:

Bildgeschwindigkeit in der Bildebene v _B [mm/s]

v _B = p · f _p = 4 · π · F · U

Für eine lückenlose, überdeckungsfreie Abtastung muß die Bedingung erfüllt sein:

v = B · n · U · r (2)

Mit Gl. (1) ergibt sich daraus für die Zahl n der Parallel-Zeilen einer Abtastung:

Wenn sich v ändert, müssen für eine lückenlose und überdeckungsfreie Abtastung andere Parameter geändert werden. Paßt man durch Veränderung der Pixelfrequenz f _p an, so ergibt sich für f _p:

Die Elementar-Objektpixelgröße D _x ist (siehe auch Gl. (1) der Hauptanmeldung):

Zur Bildung der Standard-Objektpixelgröße B _x = B bei der Minimalentfernung E _min = h sind

Pixel erforderlich.

Die maximal erforderliche Detektorzahl ist daher

M = n · k (7)

Es gilt weiterhin

somit ergibt sich durch Einsetzen von (6) und (8) in (7) die Bedingung:

Fordert man, daß für sämtliche Flughöhen h der Faktor k konstant bleiben soll, dann kann ein konstanter Resampling-Prozeß programmiert werden. Dieser ist nur noch vom Abtastwinkel ω (Winkel zwischen Lotlinie und momentaner Abtastrichtung siehe Abb. 3 der Hauptanmeldung) abhängig.

Stellt man weiterhin die Bedingung, daß die Pixelfrequenz f _p = konstant bleiben soll, dann ergeben sich notwendigerweise die Systemparameter

F, U, B

als Funktionen der Variablen h und v.

Mit den Abkürzungen

ergeben sich folgende System-Parameter:

Die Pixelzahl einer Abtastung ergibt sich aus

wobei die Konstante K _I vor allem vom Elementar-Auflösungswinkel Δω und vom Bildwinkel abhängt.

Die Zahl der Abtastungen pro Sekunde ist U · r, mit (14) ergibt sich daher der Datenfluß I pro Sekunde zu

I = U · r · P
= n · r · K _I · K_U = konstant (17)

Gibt man statt des Faktors

die Maximalentfernung E _max und die Standardpixelgröße B vor, so errechnet sich die Zeilenzahl n aus

k ergibt sich dann aus (10).

Den Formeln (13) bis (16) entnimmt man, daß die Parameter F, U und I nur noch Funktionen der konstanten Parameter k, r, n, f _p und K _I und der Wurzel aus dem v/h-Verhältnis bzw. ihrem Reziprokwert proportional sind.

Die Standardpixelgröße B ändert sich demgegenüber mit , sie verkleinert sich bei niedriger Flughöhe h und Geschwindigkeit v, allerdings nicht linear, sondern mit der Wurzel aus dem Produkt dieser Parameter.

Die variable Systembrennweite F läßt sich in bekannter Weise, z. B. durch ein optisches System 5, mit mehreren Gliedern S₁ und S₂ darstellen (Fig. 1)

In Gl. (18) sind f₁ und f₂ die Brennweiten der Einzelglieder S₁, S₂ und e ihr Abstand, der z. B. durch ein Mikroprozessor-gesteuertes Servosystem gemäß Gl. (13) der jeweiligen Flughöhe h und Geschwindigkeit v gesteuert werden kann:

Entsprechend wird auch der Abstand b zwischen Bildebene und Hauptlinse bzw. Hauptspiegel S₁ gesteuert:

In Fig. 2 ist in einem Blockschaltbild das Gesamtsystem dargestellt.

Ein Flughöhenmesser 1 und ein Flug-Geschwindigkeitsmesser 2 liefern ständig ihre Signale an eine Steuerung 3, die gemäß der Gleichungen (13) die Systembrennweite F bzw. die Abstände e (Gl. (19) und b (20) des optischen Systems 5 und gemäß Gl. (14) die Drehzahl U eines Antriebssystems 7 für ein optisches Abtastelement 6 steuern.

Der Bilddatenfluß I von einer Kamera 5 zu einem Aufzeichnungssystem 4 wird gemäß der Gl. (16) geregelt.

Das optische System kann als Linsen- oder Spiegeloptik, z. B. als Cassegrain-Typ, ausgeführt sein.

Diese hier dargelegte Lösung bietet folgende Vorteile:

1. Sie erlaubt unabhängig von Flughöhe h und Geschwindigkeit v einen fest programmierbaren Resample-Prozeß.
2. Sie liefert unabhängig von Flughöhe h und Geschwindigkeit v ein geometrisch stets ähnliches, lückenloses und überdeckungsfreies Pixelraster, dessen Absolutgröße proportional ist.
3. Sie paßt sich automatisch den Gegebenheiten an:
- - Größere Flughöhe vergrößert die Erfassungsbreite E _max bei gleichzeitiger Vergrößerung der Standardpixelgröße B.
- - Niedrigere Flughöhe vermindert die Erfassungsbreite E _max bei gleichzeitiger Verringerung der Standard-Pixelgröße B, was einer Vergrößerung des geometrischen Auflösungsvermögens entspricht.
4. Die Pixelfrequenz f _p und damit die Bandbreite der Detektor- Elektronik kann konstant bleiben.
5. Die Zahl M der benötigten Detektoren kann geringer sein als ein Resamplingprozeß ohne Brennweitenveränderung.

Claims

1. Verfahren zum Abtasten einer Geländeoberfläche und/oder anderer Objekte quer zur Flug- bzw. Bewegungsrichtung (x) eines Abtasters mit einem Abtast-Element und mit einer rechtwinklig zur Abtastrichtung (y) angeordneten Detektor-Reihe, die mehrere (M) gleich große Einzeldetektoren enthält, die bis zu einer Maximalentfernung (E _max) entfernungsabhängige Elementar-Objekt-Pixel D erzeugen, aus denen durch einen Resampling-Prozeß Standard-Objektpixel der gleichen Größe (B) abgeleitet werden, die bei jeder Abtastung ein lückenloses und überdeckungsfreies, regelmäßiges Raster mit n Zeilen bilden, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein konstantes Verhältnis eingehalten wird,
b) die Systembrennweite F des Abtasters als Funktion des Ausdrucks gesteuert wird.
c) Die Drehzahl U des Abtast-Elements als Funktion des Ausdrucks gesteuert wird,
d) der Datenfluß I I = n · r · K _I · K_U = konstantist und
e) die Objektpixelgröße B als Funktion des Ausdruckes B = K _Bvariiert, wobei die Faktoren K _F, K _U, K _B Funktionen der konstanten Systemparameter r = Zahl der Reflexionsflächen des optischen Abtast-Elements bzw. Zahl der Abtastungen pro Umdrehung des Abtast-Elements
n = Zeilenzahl einer Abtastung
f _p = Pixelfrequenz des Abtastersdarstellen und K _I eine Funktion des Elementar-Auflösungswinkels und des Bildwinkels ist.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtaster (5, 67) mit einer Systembrennweite (F) ein mehrgliedriges optisches System aus einem Hauptglied (S₁) mit einer ersten Einzelbrennweite (f₁) und einem zweiten Glied (S₂) mit einer zweiten Einzelbrennweite (f₂) aufweist, und der Abstand e zwischen den optischen Gliedern (S₁) und (S₂) nach der Funktion und der Abstand b zwischen dem Hauptglied S₁ und der Bildebene gemäß der Funktion gesteuert wird.