TW201502572A - 掃描器的偵測器陣列、線掃描器以及掃描表面的方法 - Google Patents

Abstract

一種線掃描器在跨軌跡方向上掃描並在沿軌跡方向上在平台上向前移動。所述線掃描器包含形成左陣列的多個偵測器以及形成右陣列的多個偵測器。所述左陣列以及所述右陣列遠離在所述沿軌跡方向上形成的線而傾斜。所述左陣列經組態以在所述線掃描器在所述沿軌跡方向上形成的所述線的右側掃描物體的表面時自所述表面偵測場景輻射輝度。所述右陣列經組態以在所述線掃描器在所述沿軌跡方向上形成的所述線的左側掃描所述物體的所述表面時自所述表面偵測場景輻射輝度。每一各別陣列中的所述偵測器經組態以同時偵測所述場景輻射輝度。

Description

固定足跡、固定地表取樣距離、固定空間解析度現 掃描器之系統架構 【相關申請案的交叉參考】

本專利申請案主張2013年7月8日申請的名為「固定足跡、固定地表取樣距離、固定空間解析度線掃描器之系統架構(SYSTEM ARCHITECTURE FOR A CONSTANT FOOTPRINT,CONSTANT GSD,CONSTANT SPATIAL RESOLUTION LINESCANNER)」的非臨時申請案第13/936,638號的優先權，所述申請案的揭露內容全文以引用方式併入本文中。

關於聯邦政府資助的研究的陳述

本文所描述的本發明是根據USAF合同第FA8803-13-C-0006號在履行工作的過程中作出的。政府享有本申請案的特定權利。

本發明大體上是關於成像系統中的線掃描器。更具體來說，本發明是關於線掃描器，所述線掃描器經組態以在所述線掃描器掃描物體的大的、非平坦表面時，提供固定足跡、固定地表 取樣距離(ground sample system，GSD)以及固定空間解析度。

線掃描器收集幾何結構的實例描繪於圖1A中。如圖所示，成像系統10跨越待成像的表面而移動，例如，成像器可為地球上方的航載(air-borne)或星載(space-borne)成像器。掃描機構橫向於成像系統的運動方向跨越所述表面而掃描成像系統的有限視場(field of view，FOV)。隨著成像系統在沿軌跡方向12上向前移動，掃描器連續在跨軌跡方向上如掃描線13所指示跨越表面而掠過FOV。掃描運動以及儀器運動的組合允許成像系統觀測並量測地表軌跡周圍的區域，所述區域遠大於成像器的FOV。掃描線可拼接在一起以便獲得表面的大幅影像。

線掃描器的習知偵測器陣列展示於圖1B中。如圖所示，掃描器包含具有12個偵測器元件的2×6偵測器陣列。每一偵測器元件被表示為15。12個偵測器元件配置為形成6列及2行的矩形。含有線掃描器的平台在沿軌跡方向上移動，而FOV在跨軌跡方向上得以掃描。

習知線掃描成像系統架構描繪於圖2中。成像系統10包含掃描器21、成像光學裝置22、偵測器陣列23、電子模組24以及資料處理模組25。掃描器21自一側至另一側而掠過成像光學裝置22的FOV。位於成像光學裝置的焦平面處的偵測器陣列23針對陣列中的每一偵測器而產生電訊號，所述電訊號與場景輻射輝 度成比例。電子模組24將偵測器訊號轉換為數位計數，所述數位計數可接著由機載資料處理模組25處理。資料可接著經由被表示為28的通信鏈路而傳輸至大體上被表示為29的地表系統，其中資料可經受另一資料處理器系統26的額外處理。在最終處理後，影像27可得以形成而顯示於監視器或列印機上，或可儲存於記憶體中以稍後由檢視者擷取。

存在已由線掃描器使用的許多不同掃描器架構。簡單且緊湊的(針對給定的入射光瞳(entrance pupil)大小)線掃描器為單鏡單軸掃描器，如圖3所示。所例示的掃描器30包含安裝在旋轉軸杆32上的鏡31。旋轉軸杆(即，掃描器軸杆32)與飛行器的標稱速度向量與被表示為33的望遠鏡光軸兩者共線。掃描器軸杆32與鏡31的表面的法線之間的角為45°。掃描器軸杆以固定速率旋轉，從而形成繞掃描器軸杆的旋轉角(其稍後被定義為θ_scan)。掃描器亦在跨軌跡方向上跨越地球的表面掃描望遠鏡的光學裝置的FOV 34。當在跨軌跡方向上掃描時，掃描器經由天底以及最大掃描角而移動，其中最大掃描角是在掃描終端(end of scan，EOS)處形成。一般而言，出於下文將解釋的原因，僅針對介於天底(nadir)的56°內的掃描角而收集地球表面資料。

習知影像掃描器具有三個主要缺點，即，(a)在掃描器杆旋轉時，由於鏡的表面上的入射角針對離軸光線而改變而在掃描期間發生的不良的影像旋轉，(b)隨著掃描角增大而產生的大的所得足跡(其為偵測器的瞬時的FOV在地表上的投影)以及對 應的降低的空間解析度，以及(c)隨著掃描角增大而變大的地表取樣距離(GSD)。此等缺點解釋於下文中。

第一缺點是因單鏡掃描器幾何結構導致影像在其焦平面上旋轉所致。相對於固定偵測器陣列的影像旋轉等效於相對於固定地球的偵測器陣列的旋轉。一些習知系統(如VIIRS)使用額外的移動的鏡來移除此旋轉。額外的移動的鏡對系統添加質量、複雜性以及移動的部件，從而較可能出現故障。其他系統(如AVHRR及GOES)接受所述旋轉作為所需的事實。AVHRR系統每通道僅具有一個偵測器，且因此將影像旋轉的效應減到最小。然而，GOES系統每通道具有2至8個偵測器，且必須考慮由旋轉導致的誤差。GOES系統的僅有的優點在於所述旋轉跨越掃描軸僅為幾度。然而，一般而言，影像的任何旋轉極大地使線性偵測器陣列的使用變複雜。

如圖4所示，由線掃描器收集的影像的品質亦受收集幾何結構影響。所述幾何結構被展示為至地球的中心的距離的函數。航載與星載影像解析度兩者皆受損害，此是因為至地球的距離隨著掃描角而改變，如圖4可見，至地球的表面的距離(R)與相對於地表的LOS天頂角(θ_z)在跨軌跡方向上隨掃描角θ而增大。該效應的大小取決於地球上方的成像器的高度h。針對星載成像器來說情況更糟的是，因為h及R遠大於航載成像器的類似參數。

可藉由在天底與掃描鏡的掃描終端(EOS)兩者處將 AVHRR系統的瞬時FOV(IFOV)映射至地球的地表來最佳地說明足跡增大的問題。此展示於圖5中。如圖所示，收集幾何結構使IFOV變形，以使得在天底處的1×1千米的正方形的IFOV在EOS處變為約8×3千米的菱形。因為空間解析度強烈取決於IFOV，所以所得的空間解析度在EOS處顯著降低。對於AVHRR系統，空間解析度在大於56°的掃描角下變得極差，以致於資料對於任何使用者而言將具有較小的用處，且因此甚至不需要收集。大多數使用者可能青睞於在EOS處具有與其可在天底處獲得的解析度一樣的高解析度。

習知系統的額外缺點為天底與EOS之間的不均一的地表取樣距離(GSD)。為了降低設計複雜性，大多數線掃描器使用固定掃描速率以及固定偵測器取樣速率。此等固定速率導致地表上的樣本之間的距離變化。舉例而言，AVHRR系統的GSD在天底與EOS之間增大，而所述增大與天底與EOS之間的IFOV增大成比例。相對而言，大多數使用者青睞於具有以相等間隔在地表上取樣的影像且因此導致相等的GSD。

如將解釋，本發明藉由產生以固定足跡、固定GSD以及固定空間解析度收集資料的系統而克服前述缺點。在掃描地球或任何其他寬廣物體時，本發明實現上述所有目標。

為了滿足此需要及其他需要，且鑒於本發明的目的，本 發明提供用於掃描物體的掃描器的偵測器陣列。所述偵測器陣列包含：多個偵測器，其中所述偵測器中的一半線性地配置為左陣列，且所述偵測器中的另一半線性地配置為右陣列，且所述左陣列及所述右陣列用幾何方式配置以形成等腰三角形，所述等腰三角形具有兩個相等的底角ψ_max，以及相交的頂點。角ψ_max被定義為在所述偵測器陣列掃描所述物體時由所述掃描器的幾何結構導致的影像旋轉的最大量。

所述多個偵測器安置於航載或星載平台中。所述平台經組態以在沿軌跡方向上移動，且所述偵測器陣列的掃描角形成於在跨軌跡方向上掃描的掃描線中，所述跨軌跡方向垂直於所述沿軌跡方向。所述偵測器陣列的所述掃描角包含在所述跨軌跡方向上定義的掃描終端(EOS)角。ψ_max中的影像旋轉的最大量可等於所述EOS角。

所述左陣列中的所述多個偵測器中的每一者經組態以同時產生與所述物體的場景輻射輝度成比例的電訊號；且所述右陣列中的所述多個偵測器中的每一者經組態以同時產生與所述物體的場景輻射輝度成比例的另一電訊號。所述左陣列包含至少兩個線性地配置的偵測器，且所述右陣列包含至少兩個線性地配置的偵測器。

所述掃描器包含繞軸杆旋轉的鏡以及與所述鏡相交的望遠鏡光軸，其中所述鏡的所述軸杆經組態以平行於所述望遠鏡光軸。所述偵測器陣列的掃描角在(a)天底與(b)掃描終端(EOS) 之間變化，所述天底對應於自所述等腰三角形的底邊的中點延伸且在頂點處相交的線，且所述掃描終端(EOS)對應於自所述底邊的所述中點延伸以形成所述天底的所述線與投影至所述物體上的最大掃描角之間的最大角。所述角ψ_max中的影像旋轉的最大量等於所述EOS處的所述偵測器陣列的所述掃描角。最大角ψ_max可大於56度。

所述右陣列以等於最大角ψ_max的量傾斜，且所述左陣列以等於所述最大角ψ_max的量在相反方向上傾斜。

所述最大角ψ_max對應於在垂直於平台的行進方向的方向上的所述偵測器陣列的最大掃描角。

所述偵測器陣列經組態以提供所述物體的左掃描以及所述物體的右掃描，其中所述左掃描與所述右掃描之間的分界線是由自所述等腰三角形的底邊的中點延伸至所述相交頂點的線形成。所述左陣列經組態以在所述右掃描期間收集影像，且所述右陣列經組態以在所述左掃描期間收集影像。

本發明的另一實施例包含一種線掃描器，其在跨軌跡方向上掃描且在沿軌跡方向上在平台上向前移動。所述線掃描器包含形成左陣列的多個偵測器以及形成右陣列的多個偵測器，其中所述左陣列以及所述右陣列遠離在所述沿軌跡方向上形成的線而傾斜，所述左陣列經組態以在所述線掃描器在所述沿軌跡方向上形成的所述線的右側掃描物體的表面時自所述表面偵測場景輻射輝度，且所述右陣列經組態以在所述線掃描器在所述沿軌跡方向 上形成的所述線的左側掃描所述物體的所述表面時自所述表面偵測場景輻射輝度。

所述左陣列以及所述右陣列各自包含線性地配置於所述各別陣列中的兩個以上偵測器，且每一各別陣列中的所述偵測器經組態以同時偵測所述場景輻射輝度。

所述左陣列以及所述右陣列經組態以在所述線掃描器在天底與掃描終端(EOS)之間掃描時同時偵測所述場景輻射輝度且輸出訊號樣本，且所述輸出訊號樣本是在所述沿掃描方向以及所述跨軌跡方向上彙總的。

所述輸出訊號樣本首先在所述沿軌跡方向上彙總且其次在所述跨軌跡方向上彙總，且所述首先的彙總以及所述其次的彙總形成一個掃描線。

本發明的又一實施例是一種掃描地球的表面的方法，其中多個偵測器在航載或星載平台中線性地對準以同時對所述表面取樣。所述方法包含以下步驟：重新組態所述多個偵測器，以使得：所述偵測器的第一個一半遠離在沿軌跡方向上形成的線在向左方向上傾斜，且所述偵測器的第二個一半遠離在所述沿軌跡方向上形成的所述線在向右方向上傾斜；以及在所述線掃描器在所述線的右側掃描時，使用所述偵測器的所述第一個一半而對來自所述表面的輻射輝度取樣，以及在所述線掃描器在所述線的左側掃描時，使用所述偵測器的所述第二個一半而對來自所述表面的輻射輝度取樣。

所述方法藉由形成蜂翼狀幾何結構來重新組態所述多個偵測器，且所述蜂翼狀幾何結構被定義為等腰三角形，所述等腰三角形由所述偵測器的所述第一個一半以及所述第二個一半作為所述等腰三角形的兩條等邊而形成，且具有兩個相等的底角ψ，且其中ψ被定義為在所述偵測器掃描所述表面時由所述掃描器的幾何結構導致的影像旋轉的量。

所述等腰三角形包含所述等腰三角形的所述兩條等邊以及在所述沿軌跡方向上形成的所述線相交的頂點。所述角ψ包含取決於跨軌跡方向上的最大掃描角的最大角，所述跨軌跡方向垂直於所述沿軌跡方向。

應理解的是，上文一般描述以及下文詳細描述為例示性的，但不限制本發明。

10‧‧‧成像系統

12‧‧‧沿軌跡方向

13‧‧‧掃描線

15‧‧‧偵測器元件

21‧‧‧掃描器

22‧‧‧成像光學裝置

23‧‧‧偵測器陣列

24‧‧‧電子模組

25‧‧‧資料處理模組

26‧‧‧資料處理器系統

27‧‧‧影像

28‧‧‧通信鏈路

29‧‧‧地表系統

30‧‧‧掃描器

31‧‧‧掃描鏡

32‧‧‧掃描器軸杆

33‧‧‧光軸

61‧‧‧左陣列

62‧‧‧右陣列

63‧‧‧偵測器

64‧‧‧沿軌跡向量

71‧‧‧足跡

72‧‧‧左EOS

73‧‧‧右EOS

80‧‧‧偵測器訊號處理

81‧‧‧步驟

82‧‧‧步驟

83‧‧‧步驟

84‧‧‧步驟

85‧‧‧步驟

86‧‧‧步驟

87‧‧‧步驟

88‧‧‧記憶體

110‧‧‧影像

111‧‧‧影像

120‧‧‧旋轉軸

131‧‧‧非交錯式蜂翼狀組態

132‧‧‧交錯式蜂翼狀組態

133‧‧‧跨軌跡方向

134‧‧‧沿軌跡方向

h‧‧‧高度

R‧‧‧至地球的表面的距離

θ‧‧‧掃描角

θ_scan‧‧‧鏡軸杆的旋轉角

θ_z‧‧‧LOS天頂角

ψ‧‧‧角

ψ_max‧‧‧最大影像旋轉角

Φ‧‧‧掃描鏡旋轉軸與鏡的表面之間的角

ξ‧‧‧掃描鏡旋轉軸與望遠鏡光軸之間的角

圖1A為在成像系統沿著地表軌跡方向移動時成像系統的線掃描器沿著視場(FOV)而收集影像的實例。

圖1B為習知線掃描器偵測器陣列幾何結構具有配置為矩形的2×6偵測器陣列且在平台在沿軌跡方向上移動時在跨軌跡方向上進行線掃描的實例。

圖2為根據一個實施例的可由本發明組態的線掃描器架構的實例。

圖3為藉由使用安置於圖2所示的成像系統中的掃描鏡而改變掃描角時的掃描器幾何結構的實例。

圖4為在掃描地球的表面時的線掃描器的幾何結構的實例，其展示在掃描角增大時距離及天頂角如何增大。

圖5為自習知掃描器產生的偵測器足跡的實例，其中正方形為天底處的足跡，且大的菱形為掃描終端(EOS)處的足跡。

圖6A及圖6B描繪根據本發明的實施例的蜂翼狀偵測器陣列幾何結構，其被展示為在天底處投影於地表上。

圖7為根據本發明的實施例的蜂翼狀偵測器陣列幾何結構，其被展示為在掃描終端(EOS)處投影於地表上，其中左側的圖為左EOS處的足跡且右側的圖為右EOS處的足跡。

圖8為展示根據本發明的實施例的由本發明提供的偵測器訊號處理的實例的流程圖。

圖9A為根據本發明的實施例的蜂翼狀陣列的六個偵測器元件的地表軌跡的實例，其展示在陣列居中於光軸上時由前向運動導致的偏斜。

圖9B為根據本發明的實施例的蜂翼狀陣列的六個偵測器元件的地表軌跡的另一實例，所述蜂翼狀陣列具有藉由使陣列相對於光軸以小的量偏移而補償的前向運動。

圖10為根據本發明的實施例的天底處的足跡的實例，所述足跡是在沿掃描方向以及跨掃描方向上彙總，且針對單個偵測器元件，與EOS處的足跡進行比較。

圖11A描繪在時鐘定位於天底處且影像尚未旋轉因而具有影像旋轉角(ψ)零時的鐘面的焦平面上的影像。圖11B描繪在時鐘定位於掃描終端(EOS)處且影像已以大於零的ψ的量旋轉時的圖11A的鐘面的焦平面上的另一影像。圖12描繪沿著軸杆以旋轉角繞任意旋轉軸旋轉因而產生圖11B所示的ψ的影像旋轉的單鏡掃描器的幾何結構。圖13描繪根據本發明的兩個實施例的非交錯式蜂翼狀幾何結構以及交錯式蜂翼狀幾何結構。

本發明使用說明於圖1A中而安置於例示於圖2中的系統中的收集幾何結構。因此，本發明的成像系統包含線掃描器21，其併有沿著掃描線13移動望遠鏡的光軸33且線性地掃描寬廣物體的表面(例如，地球的表面)的掃描鏡31。線掃描器21可安置於沿著地表軌跡方向移動的航載平台或星載平台中，從而提供圖1A所示的掃描線13。

然而，本發明不具有習知系統的缺點，且使用偵測器陣列幾何結構以及訊號處理的組合而克服前述難點。如將解釋，偵測器陣列幾何結構使用矩形元件，所述矩形元件在天底處旋轉以使得元件與掃描終端(EOS)處的掃描方向對準。元件大小經選擇以使得在(例如)地球的表面上在EOS處形成的足跡大致上為正方形。偵測器元件形成足跡，如將解釋，所述足跡接著彙總以便以所有較小的掃描角產生均等的足跡大小(例如，正方形)。

具有單軸掃描器幾何結構的陣列與足跡彙總的組合對至地球的表面的距離與地球的表面處的視線(LOS)天頂角兩者相當不敏感，即使兩者隨掃描角而顯著改變亦是如此。此可藉由審查圖4來具體化。如將解釋，本發明提供對近地軌道(low Earth orbit，LEO)及航載成像中的持久問題的優良解決方案。

如先前參照圖5所描述，習知系統的掃描器幾何結構導致偵測器陣列上的影像旋轉。在圖3所描繪的掃描器的狀況下，影像以等於掃描器軸杆旋轉角的角旋轉。代替使影像旋轉成為負擔，本發明利用旋轉以便獲得近固定的足跡。

偵測器陣列幾何結構利用掃描器影像旋轉以實現三個目標。首先，在掃描終端(EOS)處的偵測器足跡為正方形，其中邊與沿掃描方向以及跨掃描方向對準。其次，藉由彙總來自陣列的樣本而獲得的有效足跡針對所有掃描角大致上為相同的大小。第三，有效足跡與地表軌跡兩者關於天底而對稱。

在習知掃描器中沿著飛行器行進的沿軌跡方向呈線性(例如，如圖1B所示，形式為矩形)的偵測器陣列由本發明重新組態。本發明的矩形元件(即，偵測器63)配置為蜂翼狀組態，如圖6A所描繪。陣列的每一半(在本文中，亦稱為左陣列61以及右陣列62)以等於最大影像旋轉角(亦即，在掃描終端處的影像旋轉角)的量傾斜，所述最大影像旋轉角在本文中被定義為ψ_max。

在圖3所例示的線掃描器中，掃描器軸杆32平行於望遠 鏡的光軸33。因此，最大影像旋轉角ψ_max等於在跨軌跡方向上在線掃描器的掃描終端(EOS)處形成的掃描角θ；最大影像旋轉角ψ_max亦等於在EOS處的鏡軸杆的旋轉角θ_scan。作為實例，線掃描器的最大掃描角可為56°，但其他角限制為本發明所預期，當在使用時，需針對陣列元件的大小及數目進行適當的調整。

此外，應理解的是，本發明可應用於除圖3所示的掃描架構之外的掃描架構。此等其他掃描器架構可使影像以不等於EOS處的線掃描器的掃描角θ的量旋轉。一個此種掃描架構展示於圖12中。如圖所示，掃描鏡31包含光軸33以及繞鏡的軸杆的旋轉軸120。在此組態中，望遠鏡光軸33不平行於旋轉軸120，且鏡射表面與鏡旋轉軸杆之間的角並非45°。在圖12的實例中，偵測器陣列的每一半可按照等於在EOS處形成的最大影像旋轉ψ_max的量且在與其相反的方向上傾斜。在圖12的實例中，ψ_max不等於鏡旋轉角θ_scan。此將參照圖11A及圖11B來進一步描述。

參照圖6A，陣列可未居中於光軸上，而是可如圖所示以小的量偏移。舉例而言，在跨軌跡方向上且遠離被表示為64的沿軌跡向量，偏移可為115微弧度。此偏移導致影像旋轉補償平台的前向運動，藉此產生關於天底對稱的掃描型樣。

如圖6A所示由蜂翼狀組態形成的幾何結構亦可由圖6B所示的等腰三角形來描述。等腰三角形由自底邊延伸的兩條等邊形成。所述等邊包括左陣列61以及右陣列62。本文中稱為最大影像旋轉角ψ_max的傾斜角形成於三角形的底邊與等邊之間。三角形 的兩條等邊相交於由線64接合的頂點處，線64表示圖6A所示的沿軌跡方向。應理解的是，圖6A所示的蜂翼狀幾何結構為在天底處投影於地表上的陣列幾何結構。

偵測器63的元件大小可經選擇以使得EOS處的元件足跡等於所要足跡大小，如圖7所示，其中每一所要足跡被表示為71。圖7單獨展示左EOS 72以及右EOS 73的蜂翼狀偵測器陣列足跡。圖7例示在833千米的高度飛行的成像器的影像旋轉、增大的距離以及地球曲率的組合效應。陣列的每一側的所展示的六個偵測器元件提供六個正方形的足跡71，且所述正方形的邊與沿掃描方向以及跨掃描方向對準。

然而，應理解的是，在任一時間，僅陣列的一半(例如，左陣列或右陣列)對準，而陣列的另一半(例如，分別為右陣列或左陣列)的幾何結構顯著變形。因此，每次僅自陣列的一側收集資料。陣列的左側一半用於在右側一半掃描期間收集影像，且陣列的右側一半用於在左側一半掃描期間收集影像。以此方式，本發明在自陣列的一側轉換為另一側時確保天底處的無間隙的覆蓋。

現將參照圖8來描述本發明處理訊號資料的方式。如功能流程圖所示，偵測器訊號處理大體上被表示為80。藉由在步驟81中追蹤鏡位置、在步驟82中考慮飛機或飛船滾轉角以及在步驟83中使鏡角度以預定量遞增，處理器能夠在偵測器元件對自物體(例如，地球)的表面接收的輻射輝度取樣時追蹤偵測器元件的 視線。陣列的一側的所有偵測器或元件同時對地表輻射輝度取樣。因此，例如，藉由陣列的左側的六個偵測器，系統在一個時刻接收左陣列中的六個偵測器的六個同時的樣本。

在步驟84中，首先在沿掃描方向上彙總來自陣列中的給定偵測器的原始樣本。所彙總的數目為相對於天底的掃描角的函數。每一彙總因素的角範圍可經選擇以使得彙總針對所有掃描角而產生類似的系統MTF。因此，由本發明執行的沿掃描彙總用於三個目的：

1.所述沿掃描彙總提高所得樣本的SNR。

2.所述沿掃描彙總將所得樣本的MTF規則化，藉此降低在彙總處理程序之後的再取樣演算法的複雜性。

3.所述沿掃描彙總減少必須由處理器處置的資料的量。

繼續圖8所示的處理程序，沿掃描彙總步驟84之後是沿掃描再取樣步驟85。此步驟將來自每一偵測器元件的經再取樣的值置於相同的沿掃描柵格中。換句話說，再取樣將對原始資料取樣時的一維柵格(第一柵格)改變為再取樣處理程序時的另一一維柵格(第二柵格)。名義上，第二柵格始於天底且在地表上具有相等間距，而第一柵格在掃描角中相等地間隔開，但在地表上不等地間隔開。任何原點及間距可由使用者指定。此步驟跨越掃描線產生均一GSD。

本發明接著進入步驟86且彙總來自具有相同沿掃描位置的不同偵測器元件的經取樣的值。藉由在步驟85中再取樣，在步 驟86中的跨掃描彙總之前，本發明在彙總時不引起沿掃描空間解析度罰分(penalty)。沿掃描再取樣步驟85可存取記憶體88中所存儲的查找表(LUT)。

步驟86中的跨掃描彙總用於兩個目的：

1.所述跨掃描彙總將來自單個元件的足跡的每一所得像素的足跡增大至最終所要值。

2.所述跨掃描彙總提高所述像素的SNR。

應瞭解的是，此時，跨掃描處理為步驟86中的彙總，而不是步驟87中的再取樣，其中所述再取樣是在彙總之後執行。跨掃描彙總簡化稍後將執行的任何校準。像素通常是使用自所彙總的空間及ICT資料導出的係數來校準的。若此時執行再取樣而不是彙總，則校準演算法將需要併有用於校準中的再取樣係數。若使用固定再取樣核心，則此舉將並不複雜，但若需要變化的核心，則此舉將向校準添加顯著的複雜性。

應理解的是，如下所述，掃描鏡以及FPA幾何結構使像素的跨掃描位置隨掃描角而改變。因此，需要在步驟87中執行的最終跨掃描再取樣，以便在笛卡爾(Cartesian)柵格上獲得影像。

圖6A所示的用於左陣列以及右陣列中的12個元件(即，12個偵測器)的單個掃描線的地表軌跡針對處於833千米的高度的平台而標繪於圖9A及圖9B中。每一圖中的兩個軸上的單位為千米，但兩個軸上的比例極不同。圖9A展示蜂翼狀陣列中的12個偵測器的地表軌跡，其中由於掃描期間的感測器的前向運動， 地表軌跡偏斜。另一方面，圖9B展示同一蜂翼狀陣列中的12個偵測器的地表軌跡，其中由於前向運動補償，地表軌跡未偏斜。應理解的是，如圖6A所示，前向運動補償由本發明藉由使陣列相對於光軸偏移(例如)115微弧度而提供。

如圖9A及圖9B所示，取決於陣列中的元件的跨掃描位置，掃描鏡影像旋轉使EOS足跡落後於天底足跡約0.5至1.2千米。當成像器從左陣列側轉換為右陣列側，或當成像器從右陣列側轉換為左陣列側時，發生天底處的方向的急劇改變。如自審查圖7所預期，所有元件收斂於EOS處。此情形允許本發明執行跨掃描彙總，而不引起EOS處的跨掃描空間解析度的損失。容易在EOS處判定所彙總的元件的有效足跡。所有六個元件的中心具有相同的跨掃描位置，且沿掃描再取樣給予所述中心相同的沿掃描位置。因此，有效足跡等於個別元件的足跡。此在圖10中被展示為1.1千米的正方形。天底處的元件足跡的旋轉及跨掃描分離對有效足跡的界定造成一些混淆。藉由任何方法獲得的準確值並不一定如此重要，此是因為空間解析度與GSD均不取決於足跡的界定，且空間解析度與GSD是有助於資料品質而不是足跡的空間量。然而，在圖10中展示了在EOS處的單個偵測器足跡與在天底處彙總的個別元件足跡的比較。因此，如圖所示，天底及EOS處的有效或所彙總的足跡是均等的。天底處的有效足跡以及EOS處的有效足跡極類似，以使得有效足跡在此等極端之間未大幅變化。

現轉至圖11A及圖11B，展示分別被表示為110及111 的鐘面的兩個影像。當時鐘定位於天底處時，鐘面的影像110形成於焦平面上。當時鐘定位於EOS處時，鐘面的影像111形成於焦平面上。焦平面上的影像經由角ψ而旋轉，其中針對圖3的掃描器幾何結構，角ψ等於圖4的跨軌跡掃描角θ。當鏡的軸杆的旋轉使光軸指向大的掃描角時，鐘面的影像因增大的距離及天頂角而變形。應理解的是，最大影像旋轉角ψ在圖11B所示的蜂翼狀組態中形成傾斜角，即，角ψ_max。

在圖3所示的實例掃描組態中，焦平面上的影像經由等於跨軌跡掃描角θ的角而旋轉，且因此，ψ等於EOS處的偵測器陣列的跨軌跡掃描角θ。然而，判定傾斜角的過程中的重要參數並非EOS處的跨軌跡掃描角，而是由線掃描器導致的影像旋轉的量。取決於掃描器幾何結構，此量可能等於或可能不等於跨軌跡掃描角。

接著轉至圖12，展示掃描鏡31的另一例示性幾何結構，所述掃描鏡31在其大體上被表示為120的鏡旋轉軸上旋轉。影像旋轉角ψ與鏡的掃描角θscan(下文被表示為θs)之間的關係由以下表達式給出： 其中 Φ為掃描鏡旋轉軸與鏡的表面之間的角，且ξ為掃描鏡旋轉軸與 望遠鏡光軸之間的角。

在本發明所使用的角的定義中，下文提供簡要概述：θscan為鏡軸杆旋轉角。

θ為跨軌跡平面中的光軸旋轉角。

ψ為焦平面上的影像旋轉角。

當影像以ψ旋轉時，地表上的偵測器區域的投影以-ψ旋轉。

對於圖3所描繪的掃描器，ψ=θ=θscan。

接著參照圖13，展示兩種不同的蜂翼狀組態，即，非交錯式蜂翼狀組態131以及交錯式蜂翼狀組態132。非交錯式蜂翼狀組態131類似於圖6A所示的組態。交錯式蜂翼狀組態132的偵測器以與非交錯式組態的偵測器的角相同的角傾斜。因此，如圖所示，每一偵測器遠離沿軌跡方向134而傾斜以相對於跨軌跡方向133形成角ψ_max。

陣列中的偵測器的交錯允許陣列的沿軌跡空間回應及維度增大，而不會降低跨軌跡效能或增大望遠鏡的視場(FOV)。實際上，對於交錯式幾何結構，望遠鏡FOV可較小。圖13將FOV展示為圍繞偵測器陣列的圓形。藉由相同數目及大小的元件，實現了較緊湊的陣列，所述陣列亦在沿軌跡方向上具有增大的範圍。跨軌跡效能僅取決於元件大小以及旋轉角，其中元件大小與旋轉角兩者未改變。因此，跨軌跡效能未因使陣列元件交錯而改變。

本發明包含許多應用，例如：1.星載遙測系統，2.航載遙測系統，以及3.使用線掃描器以查看移動傳送帶上的物品的工業檢驗系統。

雖然在本文中參照特定實施例說明且描述了本發明，但本發明不欲限於所展示的細節。實際上，可在申請專利範圍的均等物的範疇及範圍內對細節進行各種修改，而不偏離本發明。

61‧‧‧左陣列

62‧‧‧右陣列

63‧‧‧偵測器

64‧‧‧沿軌跡向量

ψ_max‧‧‧最大影像旋轉角

Claims (20)

1. 一種掃描器的偵測器陣列，用於掃描物體，包括：多個偵測器，其中所述偵測器中的一半線性地配置為左陣列，且所述偵測器中的另一半線性地配置為右陣列，且所述左陣列及所述右陣列用幾何方式配置以形成等腰三角形，所述等腰三角形具有兩個相等的底角ψ_max，以及相交的頂點，其中角ψ_max被定義為在所述偵測器陣列掃描所述物體時，由所述掃描器的幾何結構導致的影像旋轉的最大量。
2. 如申請專利範圍第1項所述的偵測器陣列，其中所述多個偵測器安置於航載或星載平台中，且所述平台經組態以在沿軌跡方向上移動，且所述偵測器陣列的掃描角形成於在跨軌跡方向上掃描的掃描線中，所述跨軌跡方向垂直於所述沿軌跡方向。
3. 如申請專利範圍第2項所述的偵測器陣列，其中所述偵測器陣列的所述掃描角包含在所述跨軌跡方向上定義的掃描終端(EOS)角，且ψ_max中的影像旋轉的最大量等於所述EOS角。
4. 如申請專利範圍第3項所述的偵測器陣列，其中所述偵測器陣列的所述掃描角藉由自所述物體的表面接收光的掃描鏡而變化。
5. 如申請專利範圍第1項所述的偵測器陣列，其中所述左陣列中的所述多個偵測器中的每一者經組態以同時產 生與所述物體的場景輻射輝度成比例的電訊號；且所述右陣列中的所述多個偵測器中的每一者經組態以同時產生與所述物體的場景輻射輝度成比例的另一電訊號。
6. 如申請專利範圍第5項所述的偵測器陣列，其中所述左陣列包含至少兩個線性地配置的偵測器，且所述右陣列包含至少兩個線性地配置的偵測器。
7. 如申請專利範圍第1項所述的偵測器陣列，其中所述掃描器包含繞軸杆旋轉的鏡，以及與所述鏡相交的望遠鏡光軸，所述鏡的所述軸杆經組態以平行於所述望遠鏡光軸，所述偵測器陣列的掃描角在(a)天底與(b)掃描終端(EOS)之間變化，所述天底對應於自所述等腰三角形的底邊的中點延伸且在所述頂點處相交的線，且所述掃描終端(EOS)對應於自所述底邊的所述中點延伸以形成所述天底的所述線與投影至所述物體上的最大掃描角之間的最大角，且所述角ψ_max中的影像旋轉的最大量等於所述EOS處的所述偵測器陣列的所述掃描角。
8. 如申請專利範圍第7項所述的偵測器陣列，其中最大角ψ_max大於56度。
9. 如申請專利範圍第1項所述的偵測器陣列，其中所述右陣列以等於最大角ψ_max的量傾斜，所述左陣列以等於所述最大角ψ_max的量在相反方向上傾斜， 所述掃描器安置於平台中，且所述最大角ψ_max對應於在垂直於所述平台的行進方向的方向上的所述偵測器陣列的最大掃描角。
10. 如申請專利範圍第1項所述的偵測器陣列，包含所述偵測器陣列經組態以提供所述物體的左掃描以及所述物體的右掃描，其中所述左掃描與所述右掃描之間的分界線是由自所述等腰三角形的底邊的中點延伸至所述相交頂點的線形成，且所述左陣列經組態以在所述右掃描期間收集影像，且所述右陣列經組態以在所述左掃描期間收集影像。
11. 一種線掃描器，在跨軌跡方向上掃描且在沿軌跡方向上在平台上向前移動，所述線掃描器包括：形成左陣列的多個偵測器以及形成右陣列的多個偵測器，其中所述左陣列以及所述右陣列遠離在所述沿軌跡方向上形成的線而傾斜，所述左陣列經組態以在所述線掃描器在所述沿軌跡方向上形成的所述線的右側掃描物體的表面時自所述表面偵測場景輻射輝度，且所述右陣列經組態以在所述線掃描器在所述沿軌跡方向上形成的所述線的左側掃描所述物體的所述表面時自所述表面偵測場景輻射輝度。
12. 如申請專利範圍第11項所述的線掃描器，其中所述左陣列以及所述右陣列各自包含線性地配置於所述各別 陣列中的兩個以上偵測器，且每一各別陣列中的所述偵測器經組態以同時偵測所述場景輻射輝度。
13. 如申請專利範圍第11項所述的線掃描器，其中所述物體的所述表面為地球的表面。
14. 如申請專利範圍第11項所述的線掃描器，其中所述左陣列以及所述右陣列經組態以在所述線掃描器在天底與掃描終端(EOS)之間掃描時同時偵測所述場景輻射輝度且輸出訊號樣本，且所述輸出訊號樣本是在所述沿掃描方向以及所述跨軌跡方向上彙總的。
15. 如申請專利範圍第14項所述的線掃描器，其中所述輸出訊號樣本首先在所述沿軌跡方向上彙總且其次在所述跨軌跡方向上彙總，且所述首先的彙總以及所述其次的彙總形成一個掃描線。
16. 如申請專利範圍第11項所述的線掃描器，包含鏡，耦接至軸杆以使所述鏡繞所述軸杆的軸旋轉；以及其中所述左陣列以及所述右陣列以基於繞所述軸杆的所述鏡的最大旋轉角的角度量遠離在所述沿軌跡方向上形成的所述線而傾斜。
17. 一種掃描地球的表面的方法，其中多個偵測器在航載或星載平台中線性地對準以同時對所述表面取樣，所述方法包括以 下步驟：重新組態所述多個偵測器，以使得：所述偵測器的第一個一半遠離在沿軌跡方向上形成的線在向左方向上傾斜，且所述偵測器的第二個一半遠離在所述沿軌跡方向上形成的所述線在向右方向上傾斜；以及在所述線掃描器在所述線的右側掃描時，使用所述偵測器的所述第一個一半而對來自所述表面的輻射輝度取樣，以及在所述線掃描器在所述線的左側掃描時，使用所述偵測器的所述第二個一半而對來自所述表面的輻射輝度取樣。
18. 如申請專利範圍第17項所述的方法，其中重新組態所述多個偵測器包含形成蜂翼狀幾何結構，且所述蜂翼狀幾何結構被定義為等腰三角形，所述等腰三角形由所述偵測器的所述第一個一半以及所述第二個一半作為所述等腰三角形的兩條等邊而形成，且具有兩個相等的底角ψ，其中ψ被定義為在所述偵測器掃描所述表面時由所述掃描器的幾何結構導致的影像旋轉的量。
19. 如申請專利範圍第18項所述的方法，其中所述等腰三角形包含所述等腰三角形的所述兩條等邊以及在所述沿軌跡方向上形成的所述線相交的頂點。
20. 如申請專利範圍第19項所述的方法，其中 所述角ψ包含取決於跨軌跡方向上的最大掃描角的最大角，所述跨軌跡方向垂直於所述沿軌跡方向。