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Die
Erfindung betrifft den Bereich der Beobachtung und der Bildaufnahme
von einem Raumfahrzeug aus. Genauer ist die Erfindung gemäß einer
Eigenschaft eine Vorrichtung zur Bildaufnahme, die von dem Raumfahrzeug
mitgeführt
wird. Diese Bildaufnahmevorrichtung kann beispielsweise eine CCD Sensormatrix
umfassen (CCD ist die Abkürzung
für den
angelsächsischen
Ausdruck Charge Coupled Device). Solche CCD-Sensoren werden im folgenden
auch als "lichtempfindliche
Elemente vom CCD-Typ" bezeichnet.
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Noch
spezieller betrifft die Erfindung solche Bildaufnahmevorrichtungen,
die Mittel umfassen, um die Verwacklungen zu kompensieren, die durch
die Bewegungen des Raumfahrzeugs relativ zu dem Objekt verursacht
werden, das beobachtet werden soll und/oder von dem ein Bild festgehalten
werden soll.
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Als
Beispiel kann die Erfindung verwendet werden, um Bildaufnahmen des
Bodens von einem Satelliten aus zu erhalten. In diesem Fall ist
es für das
Erzielen einer guten Auflösung
notwendig, dass die Energie ausreichend ist, die jeden Sensor über die
Zeitdauer erreicht, während
der der Satellit eine Entfernung zurücklegt, die am Boden der gewünschten
Auflösung
entspricht.
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Bekannte
und auf dem Markt verfügbare Sensormatrizen
haben eine radiometrische Leistung, die für einen Signal-Rausch-Abstand
von 40 dB eine Belichtungszeit von etwa 500 μs benötigt. Es gilt jedoch, dass
für einen
Satelliten, der sich mit 8 km/s bewegt, und für eine Auflösung R
s von
1 m, die Belichtungszeit
also 120 μs, nicht überschreiten darf. Die Belichtungszeit
sollte sogar darunter liegen, wenn eine korrekte Bildschärfe bewahrt
werden soll.
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Die
Menge des von jedem Sensor während einer
solchen Belichtungszeit eingefangenen Lichtes ist daher unzureichend.
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Um
die notwendigen Lichtmengen zu erhalten, werden Teleskope mit Blenden
verwendet, die 3 bis 4-fach größer sind,
als diejenige, die durch die Beugungsbedingungen vorgegeben ist,
derart, dass die 10-fache Menge an Energie eingefangen wird. Solche
Teleskope sind jedoch schwer und voluminös (ihr Gewicht nimmt mit dem
Quadrat der Blende zu).
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Eine
weitere Möglichkeit
zum Erzielen der ausreichenden Lichtmenge ist es, die Belichtungsdauer
zu verlängern
und die Verwacklungen während dieser
Belichtungszeit zu kompensieren, indem die Bewegung der Bildaufnahmevorrichtung
gegenüber dem
Satelliten in Abhängigkeit
von dem Bewegungsgesetz der Satellitenbahn synchronisiert wird.
Diese Kompensation der Verwacklungen wird manchmal realisiert, indem
die optischen Wege durch die Bewegung eines Spiegels, einer Linse
etc. verändert
werden.
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Das
Dokument
US 5 460 341 beschreibt
eine Vorrichtung zur Bildaufnahme, die dafür vorgesehen ist, in einem
Satelliten oder einem anderen Raumfahrzeug mitgeführt zu werden
und die ein System zur Bewegungskompensation umfasst, um Bewegungen
entlang einer optischen Achse, die Veränderungen des Fokus von optischen
Teilen, die Position der Vorrichtung selbst relativ zu dem Fahrzeug
an dem sie befestigt ist, etc. zu korrigieren. Diese Kompensationsvorrichtung
umfasst Linearantriebe, um die Position der Bildaufnahmevorrichtung
relativ zum Raumfahrzeug durch eine gesteuerte Bewegung in mehreren
Freiheitsgraden einzustellen. Der Antrieb umfasst einen Motor mit
beweglicher Wicklung oder beweglichem Magneten. Diese Linearantriebe
sind von einem kontaktlosen Typ, das heißt es gibt keinen Reibungskontakt
zwischen den bewegten Teilen untereinander. Diese Vorrichtungen
werden jedoch unbrauchbar, wenn versucht wird, eine sehr hohe Genauigkeit
der Kompensationsbewegung zu erreichen. Tatsächlich sind in diesem Fall
sehr präzise
Bewegungen und sehr kurze Reaktionszeiten erforderlich, was jedoch
mit diesen Bildaufnahmevorrichtungen des Stands der Technik nicht
erreicht werden kann.
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Das
Dokument
EP-A-697 786 beschreibt
ein mitgeführtes
System zur Bildgebung im Weltraum, bei dem ein Netz von Fotodetektoren
mit Mitteln zum Hin-und-Herbewegen
des Netzes gekoppelt ist. Diese Mittel zum Hin-und-Herbewegen können durch
piezoelektrische Wandler gegeben sein.
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Ein
Ziel der Erfindung ist es, Bildaufnahmevorrichtungen mit einem präziseren
Bewegungsmechanismus und einer kürzeren
Reaktionszeit bereitzustellen.
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Dieses
Ziel wird gemäß der Erfindung
durch eine Vorrichtung zur Bildaufnahme erreicht, die dafür vorgesehen
ist, in einem Raumfahrzeug mitgeführt zu werden und die wenigstens
einen Aufnahmesensor und Mittel (4, 5, 6, 7, 8, 9)
zur kontrollierten Bewegung der Vorrichtung relativ zum Raumfahrzeug
in wenigstens einem Freiheitsgrad umfasst, dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel zur Bewegung wenigstens folgendes umfassen: einen
Wandler aus einem aktiven Material, das dafür geeignet ist, sich unter
der Wirkung eines veränderlichen
elektrischen Feldes und/oder magnetischen Feldes auf dynamische
Weise zu verformen, sowie Mittel zur Steuerung, die dafür geeignet
sind, den Wandler zu steuern, um den Aufnahmesensor gemäß einer
veränderlichen
Steuerungsvorschrift zu bewegen, die für die Kompensation der durch
die Flugdynamik des Satelliten bewirkten Bewegungen angepasst wird.
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Dieser
Materialtyp gestattet es, eine Bewegung der Einheit der Bildaufnahmevorrichtung
relativ zum Raumfahrzeug mit einer stabilen Positionierung, einer
großen
Präzision,
fast ohne zeitliche Verzögerung
und ohne mechanische Konstruktionselemente im eigentlichen Sinne
zu erzielen.
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Die
Verwendung eines aktiven Materials, das dafür geeignet ist, sich unter
der Wirkung eines elektrischen Feldes und/oder magnetischen Feldes
zu verformen, typischerweise ein piezoelektrisches Material oder
ein magnetostriktifes Material, kann nur für sehr kleine Bewegungen vorgesehen
werden. Die mit den Vorrichtungen des Stands der Technik verfügbaren optischen
Auflösungen
sind jedoch derart, dass sie Kompensationsbewegungen erfordern,
die eine zu große
Amplitude haben, als dass die Verwendung solcher Materialien vorgesehen
werden kann.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
kann die folgenden vorteilhaften jedoch nicht notwendigen Eigenschaften
aufweisen, die getrennt oder in Kombination vorliegen können:
- – die
Bewegungsmittel umfassen mehrere Wandler, wobei jeder Wandler eine
Bewegung des Sensors relativ zum Raumfahrzeug verursacht, die orthogonal
ist relativ zu der von jedem anderen Wandler verursachten Bewegung;
- – außerdem sind
Mittel zur Regelkreissteuerung jedes Wandlers vorgesehen, die dafür geeignet sind,
die Störungsbewegungen
zu kompensieren, die die Position des Sensors relativ zu einem beobachteten
Objekt beeinträchtigen;
- – das
aktive Material ist direkt auf einer Matrix von Aufnahmesensoren
angebracht, um eine integrierte Struktur zu bilden;
- – jeder
Aufnahmesensor ist ein lichtempfindliches Element vom CCD-Typ.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die dafür vorgesehen
ist, auf kontrollierte Weise und in wenigstens einem Freiheitsgrad,
eine Bildaufnahmevorrichtung relativ zum Raumfahrzeug zu bewegen.
Sie umfasst außerdem Bewegungsmittel,
die einen Wandler aus einem aktiven Material umfassen, der dafür geeignet
ist, sich unter der Wirkung eines elektrischen Feldes und/oder eines
magnetischen Feldes zu verformen. Eine solche Vorrichtung gestattet
es insbesondere, die Verwacklungen zu kompensieren, die mit den
Bewegungen eines Raumfahrzeugs relativ zu einem von diesem Fahrzeug
entfernten Objekt verbunden sind, und insbesondere denjenigen, die
den Bewegungen auf einer Bahn entsprechen.
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Eine
solche Vorrichtung, gekoppelt mit einem Steuerungssystem, das eine
Bewegungsvorschrift erzeugt, die frei wählbar ist und die vom Verhalten
der Pattform, auf der die Bildaufnahmevorrichtung montiert ist,
sowie vom Typ der gewünschten Bildaufnahme
abhängt,
realisiert zu vernachlässigbaren
Kosten und bei einem vernachlässigbaren
Gewicht eine Funktion, die es gestattet, das Maximum der Auflösung und
der Abtastbreite eines von einem Raumfahrzeug transportierten optischen
Systems zu erhalten, und dies ohne Energieverluste zu erzeugen.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt, betrifft die Erfindung ein Raumfahrzeug, das eine
Bildaufnahmevorrichtung umfasst, wie sie oben stehend beschrieben
wurde.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt, betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bildaufnahme
im Weltraum, das einen Vorgang umfasst, der darin besteht, eine
Bildaufnahmevorrichtung relativ zu einem Raumfahrzeug zu bewegen,
dadurch gekennzeichnet, dass dieser Vorgang, unter der Wirkung eines elektrischen
Feldes und/oder eines magnetischen Feldes, durch die Verformung
eines aktiven Materials, das zwischen der Bildaufnahmevorrichtung
und dem Raumfahrzeug eingefügt
ist realisiert wird, und dadurch, dass der Wandler gesteuert wird,
um den Aufnahmesensor gemäß einer
veränderlichen
Steuerungsvorschrift zu bewegen, die für die Kompensation der Bewegungen
angepasst wird, die von der Flugdynamik des Satelliten bewirkt werden.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
umfasst vorteilhafterweise, jedoch wahlweise, die folgenden Eigenschaften,
die unabhängig
oder getrennt vorliegen können:
- – es
umfasst einen Vorgang der darin besteht, die Verwacklungen zu kompensieren,
die mit den Bewegungen eines Raumfahrzeugs relativ zu einem zu beobachtenden,
entfernt von diesem Fahrzeug liegenden Objekt verbunden sind, und
insbesondere diejenigen, die der Bewegung dieses Fahrzeugs auf einer
Bahn entsprechen;
- – es
umfasst einen Vorgang, der darin besteht, mittels des aktiven Materials
eine Matrix des Aufnahmesensors, die sich im wesentlichen in einer Ebene
erstreckt, relativ zur Tangente an die Bahn des Raumfahrzeugs zu
neigen;
- – es
umfasst einen Vorgang, der darin besteht, eine erste Aufnahme des
zu beobachtenden Objekts an einer ersten Stelle der Bahn und dann eine
zweite Aufnahme dieses Objekts, nach dieser ersten Stelle, zu machen,
um ein stereoskopisches Bild dieses Objekts zu bilden;
- – es
umfasst einen Vorgang, der darin besteht, zwischen zwei Aufnahmen
des zu beobachtenden Objekts die Bildaufnahmevorrichtung seitlich
zur Bahn des Fahrzeugs zu bewegen, um ein stereoskopisches Bild
dieses Objekts zu bilden;
- – es
umfasst einen Vorgang, der darin besteht, eine Rotation der Bildaufnahmevorrichtung
um eine Achse senkrecht zur Bahn auszuführen, um ein stereoskopisches
Bild des zu beobachtenden Objekts zu bilden;
- – es
umfasst einen Vorgang, der darin besteht, mehrere Aufnahmen zu machen,
die nebeneinander liegenden Positionen der Bildaufnahmevorrichtung
entsprechen, indem die Bildaufnahmevorrichtung zwischen zwei Aufnahmen
relativ zur Bahn des Fahrzeugs seitlich bewegt wird, um nach einer
Verarbeitung der Gruppe von Aufnahmen ein Bild anzufertigen, das
einem Gesichtsfeld des zu beobachtenden Objekts entspricht, das weiter
ist als dasjenige, das man mit nur einer dieser Aufnahmen erhalten
würde.
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Weitere
Eigenschaften, Ziele und Vorteile der Erfindung werden durch die
nachfolgende detaillierte Beschreibung besser verständlich.
Die Erfindung wird ebenfalls besser verständlich durch den Bezug auf
die Zeichnung, in der:
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1 schematisch
und perspektivisch eine Matrix mit lichtempfindlichen CCD-Elementen darstellt,
wie sie für
den Aufbau einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
eingesetzt wird;
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2 ein
perspektivisches Prinzipschema einer Bildaufnahme mittels einer
Matrix vom in 1 dargestellten Typ ist;
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3 schematisch
die Verwacklungsbewegung darstellt, die im Verlauf einer Bildaufnahme
eintreten kann, wie sie in 2 dargestellt
ist;
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4 eine
Bildaufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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5 eine
Variante der in 4 dargestellten Bildaufnahmevorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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6 noch
eine weitere Variante der in den 4 oder 5 dargestellten
Bildaufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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7 schematisch
ein Ausführungsbeispiel des
Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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8 eine
Variante des in 7 dargestellten Ausführungsbeispiels
des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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9 eine
weitere Variante der in 7 oder 8 dargestellten
Ausführungsbeispiele
des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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10 noch
eine weitere Variante der in 7, 8 und 9 dargestellten
Ausführungsbeispiele
des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt; und
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11 noch
eine weitere Variante der in 7, 8, 9 und 10 dargestellten
Ausführungsbeispiele
des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung schematisch darstellt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Bildaufnahme von
einem Satelliten aus beschrieben.
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In
diesem Beispiel wird die Bildaufnahme mittels einer Bildaufnahmevorrichtung
ausgeführt, die
eine zweidimensionale Matrix aus lichtempfindlichen CCD-Elementen
umfasst. Damit hohe Auflösungen
erreicht werden, handelt es sich bei diesen lichtempfindlichen CCD-Elementen
beispielsweise um Fotodioden mit einer Größe von etwa 6 μ.
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1 stellt
schematisch eine Matrix 1 von Sensoren 2 dar,
die aus solchen Fotodioden aufgebaut ist. Eine Matrix 1 kann
beispielsweise 4000 Zeilen von Sensoren 2 auf 4000 Spalten
von Sensoren 2 umfassen. Diese Fotodioden werden dann mit
einer optischen Vorrichtung vernetzt, die die Elementarfläche der
Auflösung
am Boden der Fläche
des Detektors zuordnet, das heißt
derjenigen Fläche,
die der Größe einer
Fotodiode entspricht.
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Dabei
muss beispielsweise für
eine Auflösung
am Boden R
5 in der Größenordnung von einem Meter,
einen Sensor mit einer Größe T von
etwa 6 μ und
einer Höhe
A von etwa 600 km eine Optik verwendet werden, deren Brennweite
wie folgt gegeben ist:
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Mit
einer so vorgegebenen Brennweite ist es sinnvoll so vorzugehen,
dass der mit der Blendenöffnung
der Optik verbundene Beugungsfleck in etwa der Größe des Detektors
entspricht. Bei einer Wellenlänge
von λ ist
dies durch die folgende Beziehung gegeben:
wobei D dem Durchmesser der
Eingangspupille entspricht.
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Für einen
Sensor mit einer Größe T zwischen
5 und 10 μ,
einer Höhe
A von 600 km und einer Wellenlänge
von etwa 0,6 μ hat
somit die Pupille einen Durchmesser von etwa 30 cm.
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Wir
nehmen nachfolgend an, dass der Satellit sich auf einer Bahn V bewegt,
wobei die Tangente an diese Bahn V eine Richtung X definiert. Es
wird die Richtung Y, senkrecht zur Richtung X und in einer Ebene
senkrecht zur optischen Achse der Bildaufnahmevorrichtung definiert.
Des weiteren wird eine Richtung Z senkrecht zu den Richtungen X
und Y definiert.
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Wenn
der Satellit sich während
der Belichtungszeit bewegt und wenn die Matrix 1 dem Satelliten
folgt, verschiebt sich das Abbild 3 eines Objekts am Boden
auf der Matrix 1, wie dies in 3 dargestellt
ist (zur Veranschaulichung in 3, von der
Position mit durchgezogenen Linien zur Position mit gestrichelten
Linien). Dies bildet den Ursprung der Verwacklungsbewegung. Damit
das Bild durch diese Verwacklungsbewegung nicht beeinträchtigt wird, was
die gewünschte
Auflösung
zerstören
würde, muss
jeder Sensor 2 sich in der zur Bewegung des Satelliten
umgekehrten Richtung auf dessen Bahn verschieben, und dies mit derselben
Geschwindigkeit und für
die gesamte Dauer der Belichtungszeit. So gilt, dass ein Satellit
mit einer Bewegungsgeschwindigkeit von 8000 km/s relativ zum Boden
sich während
einer Belichtungszeit von 500 μs
(die Zeit, der ein Signal-Rausch-Verhältnis von
40 dB entspricht) um 4 m relativ zum Boden bewegt, was 4 Pixel entspricht,
wobei jedes Pixel einem Sensor 2 entspricht. Damit eine
Auslösung
von etwa einem Meter beibehalten wird, ist es daher sinnvoll, die
Bildaufnahmevorrichtung um 4 Pixel in der entgegengesetzten Richtung
zu derjenigen der Bewegung des Satelliten zu bewegen.
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Um
ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis zu
erzielen, sollte die Belichtungszeit sogar bei 1 ms liegen. Zur
Kompensation der Verwacklungsbewegung während dieser Belichtungszeit
ist es ausreichend, eine Verschiebung von 8 Pixel anzusteuern. Der
Wandler muss daher eine Verschiebung von 48 μm in 1 ms bereitstellen. Eine
solche Bewegung ist mit den Spannungs-Verschiebungs-Eigenschaften eines piezoelektrischen
oder magnetostriktifen Wandlers vollständig kompatibel.
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Es
können
sogar Kompensationen der Verwacklungsbewegung über 2 ms, also über 16 Pixel, vorgesehen
werden, was mit einer Optik von 30 cm Durchmesser Signal-Rausch-Verhältnisse
von besser als 60 dB gestatten würde
(was mit solch kleinen Optiken bis heute unvorstellbar war).
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Die
Steifigkeit eines piezoelektrischen Materials, verbunden mit der
Feinheit der Steuerung, die mit diesem Materialtyp möglich ist,
machen aus ihm einen idealen Kandidaten zur Erfüllung dieser Aufgabe zur Kompensation
der Verwacklungsbewegung.
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Bei
diesen Wandlern handelt es sich beispielsweise um Lithiumniobat-Kapseln, die von
SPK Electronics Co., LTD, vertrieben werden und die eine piezoelektrische
Konstante D haben, die gleich oder größer 1000.10–12 m/Volt
ist.
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Solche
Wandler sind nicht nur für
die Kompensation der Verwacklungsbewegung durch die Bewegung des
Satelliten auf seiner Bahn im Verlauf der Bildaufnahme von Interesse,
sondern auch für
die Kompensation aller restlichen Störungen während dieser Bildaufnahme.
In diesem letzteren Fall wird der Wandler vorteilhafterweise in
eine Regelschleife integriert. Bis heute waren die Stabilisierungsvorrichtungen,
die zur Kompensation der restlichen Störungen verwendet wurden, teurer
und schwerer als die Lösung
gemäß der Erfindung.
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Wie
in 4 dargestellt ist, umfasst die Matrix 1 zwei
Wandlerelemente 4 und 6, die unabhängig voneinander
gesteuert werden. Jeder dieser Wandler 4 oder 6 ist
auf einer Seite des Rechtecks angeordnet, dass von der Matrix 1 gebildet
wird. Um die nachfolgenden Erläuterungen
zu vereinfachen, liegen die Seiten dieses Rechtecks parallel zu
den Richtungen X und Y. Selbstverständlich sind auch andere Orientierungen
möglich.
Die beiden Seiten, von denen jede mit einem Wandler 4 oder 6 ausgestattet
ist, sind benachbart.
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Vorteilhafterweise
bilden die Wandler und die Matrix eine integrierte Struktur.
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Die
Verwendung von zwei Wandlern 4 und 6, die in unabhängigen orthogonalen
Bewegungen arbeiten, gestattet es, Bewegungen entsprechend einer
beliebigen Bewegungsvorschrift zu realisieren. Dies gestattet es,
durch Software Vorschriften zur Steuerung von Bewegungen, die seitlich
in Bezug auf die Bahn V sind, Vorschriften zur Bewegung entlang der
Bahn V von vorne nach hinten oder umgekehrt oder auch für komplexe
Situationen, wie diejenigen, die mit der Erddrehung verbunden sind,
zu verwalten.
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Ein
Mikroprozessor 8 zur Steuerung berechnet in Echtzeit die
anzuwendenden Korrekturen. Die Verformungen der Wandler 4, 6 können komplex sein,
wenn man beispielsweise die mechanische Hysterese berücksichtigt,
die die piezoelektrischen Wandler aufweisen. Diese Verformungen
sind jedoch modellierbar, sie können
ebenfalls in den Berechnungen des Mikroprozessors 8 berücksichtigt
werden. Die Ergebnisse dieser Berechnungen werden zu Analog-Digital-Wandlern 10 und 12 übertragen.
Das Analogsignal am Ausgang jedes Analog-Digital-Wandlers 10, 12 wird
auf einen Verstärker 14, 16 gegeben,
der die piezoelektrischen Wandler 4, 6 versorgt.
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Die
Steuerung der Wandler 4, 6 geschieht mittels relativ
geringer Spannungspegel, da die von den Wandlern 4 und 6 erzeugten
Bewegungen von geringer Auslenkung sind. Beispielsweise gestattet für Kapseln
vom oben genannten Typ, mit einer dielektrischen Konstante D von
etwa 1000.10–12 m/Volt und
einer Dicke von 2 mm, die Anwendung einer Spannung von 18 kV einer
Bewegung von 90 Mikrometer.
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Eine
solche Bewegung entspricht etwa 10 Pixel.
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Es
kann auch vorteilhaft ein Stapel von Schichten aus piezoelektrischem
Material mit parallel geschalteten Elektroden verwendet werden.
Hierdurch wird die Spannung verringert, die angewendet wird, um
die gewünschte
Bewegung zu erhalten.
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Beispielsweise
kann mit neun gestapelten Schichten die auf jede Schicht angewendete
Spannung auf 2 kV reduziert werden. Diese Spannung ist somit völlig kompatibel
mit den gängigen
Hochspannungsvorrichtungen. Vorteilhafterweise kann ein dichtes
Gehäuse
verwendet werden, das mit einem inerten Gas gefüllt ist, um elektrische Lichtbogen
zu vermeiden.
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Wie
in 5 dargestellt, ist gemäß einer vorteilhaften Variante
der in 4 dargestellten Vorrichtung gemäß der Erfindung,
die Matrix 1 an jeder ihrer Seiten parallel zu den Richtungen
X und Y mit einem Wandler 4, 5, 6 oder 7 ausgestattet.
Gemäß dieser Variante
vollzieht sich die Bewegung der Matrix im „Drücken-Ziehen"-Modus
(„push-pull"). Die piezoelektrischen
Wandler 4, 5 und 6,7, die sich
auf den entgegengesetzten Seiten der Matrix 1, senkrecht
zu einer der Richtungen X oder Y, befinden, werden durch entgegengesetzte
Spannungen angesteuert.
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Wie
in 6 dargestellt, ist gemäß noch einer weiteren vorteilhaften
Variante der in den 4 und 5 dargestellten
Vorrichtungen gemäß der Erfindung
die Matrix 1 mit Wandlern 4, 5, 6 und 7 auf jeder
ihrer Seiten parallel zu den Richtungen X und Y ausgestattet, um
Bewegungen in diesen selben Richtungen zu steuern. Sie ist jedoch
außerdem
mit Wandlern 8 und 9 ausgestattet, die dafür eingerichtet sind,
eine Bewegung in Z-Richtung auszuführen. Wenn mehrere unabhängige Wandler 8 und 9,
die dafür
eingerichtet sind, eine Bewegung in Z-Richtung auszuführen, an verschiedenen Punkten
der Matrix 1 befestigt sind, ist es möglich, eine Kippbewegung der Matrix 1 relativ
zu der Ebene erzeugen, die die Achsen parallel zu den Richtungen
X und Y enthält.
Mit anderen Worten ist diese Kippbewegung ein Vorgang, der darin
besteht, die Matrix 1 relativ zur Tangente an die Bahn
V des Satelliten zu kippen.
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Wie
in 7 dargestellt, bietet diese Kippbewegung die Möglichkeit,
von dem zu beobachtenden Objekt an einer ersten Stelle der Satellitenbahn
eine erste Aufnahme zu machen (durchgezogene Linien in 7),
und dann, nach dieser ersten Stelle, eine zweite Aufnahme von diesem
Objekt zu machen (gestrichelte Linien in 7), um eine
stereoskopische Aufnahme von diesem Objekt zu bilden.
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Wie
in 8 dargestellt, gestattet es diese Kippbewegung
auch, eine Aufnahme eines kleineren Bildes zu machen, jedoch mit
mehr Sensoren 2. Dieser Vorgang gestattet es, die Auflösung der
Aufnahme weiter zu erhöhen.
Die durch die Neigung der Matrix 1 relativ zur optischen
Achse der Bildaufnahmevorrichtung hervorgerufene Verzerrung der
so ausgeführten
Aufnahme kann durch eine gespeicherte Bildverarbeitung leicht korrigiert
werden. Diese Verarbeitung kann gegebenenfalls auch am Boden stattfinden.
Diese Kippbewegung der Matrix 1 relativ zur Tangente an
die Satellitenbahn kann vorteilhafterweise mit einer feinen Bewegung
zur Kompensation der Verwacklungsbewegung kombiniert werden.
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Wie
in 9 dargestellt, gestattet es die Bewegung in den
Richtungen parallel zu den Achsen X und Y, zwischen zwei Aufnahmen
des zu beobachtenden Objekts die Bildaufnahmevorrichtung seitlich relativ
zur Bahn des Fahrzeugs zu bewegen, um ein stereoskopisches Bild
dieses Objekts zu bilden.
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Wie
in 10 dargestellt, gestattet es die Bewegung in den
Richtungen parallel zu den Achsen X und Y, zwischen zwei Aufnahmen
des zu beobachtenden Objekts die Bildaufnahmevorrichtung rotierend
zu bewegen, und dies um eine Achse senkrecht zur Bahn, um ein stereoskopisches
Bild des zu beobachtenden Objekts zu bilden.
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Wie
in 11 dargestellt, ist es mittels des Verfahrens
gemäß der Erfindung
auch möglich,
mehrere Aufnahmen auszuführen,
die nebeneinander liegenden Positionen der Bildaufnahmevorrichtung
entsprechen. Die Bildaufnahmevorrichtung wird dabei zwischen zwei
Aufnahmen relativ zur Satellitenbahn seitlich verschoben, um, nach
einer Verarbeitung der Gesamtheit der Aufnahmen, ein Bild zu formen,
das einem Gesichtsfeld des zu beobachtenden Objekts entspricht,
das größer ist,
als dasjenige, das man mit nur einer dieser Aufnahmen erhalten würde. Auf
diese Weise kann ein Bildaufnahmeverfahren realisiert werden, das
bis heute unbekannt war und das metrische Auflösungen ermöglicht, die Breiten des Gesichtsfelds
haben, die Mehrfache der Abmessung T eines Sensors 2 betragen.
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Beispielsweise
gestattet es eine Matrix von 4000 Sensoren auf 4000 Sensoren eine
Fläche
am Boden von 4 km auf 4 km abzudecken. Um eine Fläche abzudecken,
die einem Quadrat mit 40 km Seitenlänge entspricht, bräuchte es
eine Matrix von 40000 Sensoren auf 40000 Sensoren. Eine andere Lösung besteht
darin, eine Matrix 1 zu verschieben, die eine kleinere
Anzahl von Sensoren 2 umfasst.
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So
gilt, dass wenn der Satellit gegenüber dem Boden sich in 4,8 ms
um 4 km (4000 Pixel) weiterbewegt, die Verwacklungsbewegung kompensiert werden
kann und dabei gleichzeitig 9 Aufnahmen mit Belichtungszeiten von
500 μs ausgeführt werden.
Es ist dann möglich,
eine Spurbreite zu erhalten, das heißt die Entfernung, die von
der Matrix seitlich relativ zur Bahn überstrichen wird, die 36 km
beträgt,
und dies mit einer Matrix 1 von 4000 Sensoren 2.
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Die
Erfindung wurde oben stehend mittels eines Beispiels einer Bildaufnahmevorrichtung
beschrieben, bei der die Aufnahme durch eine Matrix aus lichtempfindlichen
CCD-Elementen erzeugt wird. Es können
jedoch auch andere Sensoren als lichtempfindliche CCD-Elemente verwendet
werden, um die Erfindung umzusetzen. Tatsächlich ist es auch möglich, Sensoren
mit höherer
Zeitkonstante zu verwenden, wie etwa Sensoren im mittleren oder
fernen Infrarotbereich oder Thermodetektoren vom Bolometertyp. Solche
Sensoren waren bisher selbst für
mäßige Auflösungen unvereinbar
mit der Abtastfrequenz, die durch das Vorbeilaufen des Satelliten
vorgegeben ist. Dank der Erfindung können bestimmte Auflösungen erreicht
werden, die bisher nicht zu erreichen waren. So könnte man
beispielsweise im fernen thermischen Bereich Waldbrände mit
einer Genauigkeit von 5 auf 10 m detektieren.
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Vorteilhafterweise
können
durch die Erfindung auch Sensoren verwendet werden, die kostengünstig sind
und Standardqualität
haben, und dabei trotzdem eine radiometrische Qualität von hohem
Niveau erreicht werden, mit einem Signal-Rauschverhältnis von beispielsweise mehr
als 40 dB.
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Die
Erfindung wurde oben stehend mittels eines Beispiels einer Bildaufnahmevorrichtung
beschrieben, die auf einem Satelliten montiert ist, es ist jedoch
offensichtlich, dass die Erfindung in anderen Anwendungen eingesetzt
werden kann, wenn ein Bild von einem Objekt aufgenommen werden soll, das
entfernt von der Bildaufnahmevorrichtung ist, und wenn die Bewegungen
dieser Vorrichtung relativ kleine Auslenkungen haben. Insbesondere
können andere
Typen von Raumfahrzeugen als Satelliten verwendet werden.
