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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beobachtung eines
Objektes, welches es ermöglicht,
das Interferenzbild des Objektes zu bestimmen, um das entsprechende
Spektrum durch Anwendung der Fouriertransformation zu erzeugen.
Die Erfindung betrifft auch einen Satelliten, der das Verfahren
anwendet, z. B. Erdbeobachtungssatelliten oder dergleichen.
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Es
ist bekannt, Spektralbänder
einer Zone der Erde von einem Satelliten aus zu beobachten. Ursprünglich wurde
die Beobachtung mit auf dem Satelliten mitgeführten dispersiven Systemen
mit Prismen durchgeführt.
Dessen Durchführung
erfordert erheblichen Platz, und die erreichte Auflösung ist
gering.
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Anschließend wurde
vorgeschlagen, ein Michelson-Interferometer in Verbindung mit Fotodetektoren
zu verwenden. Dieses System macht es erforderlich, die Position
eines der Spiegel des Interferometers zu variieren, um die Weglänge zwischen
den zwei in dem Interferometer resultierenden Strahlen zu variieren,
so dass jeder Detektor ein vom Lichtspektrum des untersuchten Objekts
abhängiges
Interferenzbildsignal empfängt.
Eine Recheneinheit bestimmt das Interferenzbild anhand der von den
Detektoren gelieferten Signale durch Fouriertransformation. Es ist
jedoch schwierig, an Bord eines Satelliten einen Mechanismus einzusetzen,
der es erlaubt, die Position eines der zwei Spiegel des Interferometers zu
variieren.
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Um
diesen Nachteil zu beheben, ist vorgeschlagen worden, das Interferenzbild
einer Bodenzone von einem Satelliten aus mit Hilfe einer optischen Vorrichtung
zu erzeugen, die keine Bewegung von optischen Teilen erfordert.
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So
schlägt
EP-A-68 922 eine
optische Vorrichtung vor, die die Bewegung der beobachteten Quelle
nutzt, um das Interferenzbild zu realisieren, anstatt ein optisches
Teil der optischen Vorrichtung zu bewegen. Hierfür umfasst die Vorrichtung einen Savart-Polarisationsprüfer, für den die
Wegdifferenz der resultierenden Strahlen vom Einfallswinkel des einfallenden Strahls
abhängt,
wobei letzterer mit der Bewegung der beobachteten Quelle variiert.
Die Vorrichtung umfasst ein Mosaik von CCD-Detektoren, die in der
Bildebene der optischen Vorrichtung angeordnet sind und gleichzeitig
eine streifenförmige Zone
am Erdboden beobachten. Jeder Detektor liefert zu einem gegebenen
Zeitpunkt ein Ausgangssignal, das einem Abschnitt der Zone unter
einem gegebenen Einfallswinkel entspricht. Um das Interferenzbild
eines solchen Abschnitts – herkömmlicherweise Pixel
genannt – zu
erhalten, wird nacheinander das Ausgangssignal von Detektoren einer
gleichen Detektorleiste, d. h. einer Folge von ausgerichteten und zur
Laufrichtung der Bodenzone parallelen Detektoren, abgegriffen. Das
Spektrum des Pixels wird wieder hergestellt, indem die Fouriertransformation
des Interferenzbilds durchgeführt
wird.
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FR-A-2 641 075 schlägt vor,
das obige System zu verändern,
um insbesondere die radiometrische Auflösung und die spektrale Auflösung zu
verbessern, als auch die Wegdifferenz unabhängig vom Winkel des einfallenden
Strahls zu machen. Hierfür wird
eine interferometrische Vorrichtung beschrieben, die einem Mosaik
von CCD-Detektoren zugeordnet ist. Der von einem Detektor empfangene Strahl
resultiert aus der Addition von zwei Strahlen, die durch Teilung
eines von einem zu beobachtenden Pixel kommenden einfallenden Strahls
erhalten sind und zwischen denen die Vorrichtung eine Weglängendifferenz
erzeugt. Wie in dem System des vorhergehenden Dokuments entsprechen
jedem Pixel aufeinanderfolgende, von verschiedenen Detektoren einer
gleichen Leiste empfangene und mit unterschiedlichen Weglängenunterschieden
verarbeitete Strahlen. Das spektrale Bild des Pixels wird in der
gleichen Weise wie im vorhergehenden Dokument erhalten.
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US-A-3 684 379 beschreibt
eine interferometrische Vorrichtung vom Michelson-Typ, die in einem Fouriertransformationsspektrometer
vom bisher beschriebenen Typ verwendet werden kann. Sie unterscheidet
sich von einem herkömmlichen
Michelson-Interferometer dadurch, dass ihre zwei Spiegel fest sind
und dass einer von ihnen so geneigt ist, dass der Querschnitt des
Interferometers in seiner Längsrichtung
nicht konstant ist. Auf diese Weise variiert die Weglängendifferenz
zwischen den zwei resultierenden Strahlen in Abhängigkeit von der Längsposition,
bei der der einfallende Strahl in das Interferometer eindringt.
Durch Anbringen einer empfindlichen Oberfläche in der Bildebene des Interferometers,
die eine entsprechende Länge
hat, und durch Verschieben des einfallenden Strahls in der Längsrichtung
des Interferometers erhält
man das Interferenzbild, an dem die Fouriertransformation durchgeführt werden
kann, um das entsprechende Spektrum zu erhalten.
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EP-A-402 194 beschreibt
eine andere interferometrische Vorrichtung für ein bewegtes Fouriertransformationsspektrometer.
Das Interferenzbild und das Spektrum eines Pixels werden in ähnlicher Weise
wie bei den vorgenannten Systemen erhalten.
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Alle
diese bewegten Fouriertransformationsspektroskopiesysteme haben
einen gleichen Nachteil. Die Zahl von Abtastwerten, die zum Erhalten
des Spektrums eines Pixels durch Anwendung der Fouriertransformation
erforderlich sind, ist hoch, in der Größenordnung von 1000. Um diese
Zahl von Abtastwerten aufzunehmen, muss die Detektorleiste eine
entsprechende Zahl von Detektoren aufweisen. Daraus resultiert,
dass die Leiste eine große
Länge hat.
Es liegt auf der Hand, dass das Spektrometer nur korrekt arbeitet,
wenn jeder der Detektoren nacheinander das gleiche Pixel sieht.
Wenn aber ein solches System auf einem Satelliten mitgeführt wird,
erlaubt es die Stabilität
der Bahnbewegung und/oder der Ausrichtungsfehler der Detektorleiste
in Bezug auf die Bahnbewegungsrichtung nicht, zu gewährleisten, dass
ein gleiches Pixel tatsächlich
vom ersten bis zum letzten Detektor der Leiste im Laufe der Messung
gesehen wird.
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FR-A-2 787 186 beschreibt
ein Mehrkanalinterferometer vom Michelson-Typ. Es unterscheidet sich
von einem klassischen Michelson-Interferometer dadurch, dass seine
zwei Spiegel fest sind, und dass einer von ihnen oder beide treppenstufenartig
geformt sind. Der Strahl des beobachteten Pixels wird gleichzeitig
auf sämtlichen
Stufen der zwei Spiegel empfangen. Jede Stufe des ersten Spiegels
erzeugt in Beziehung zu einer Stufe des zweiten Spiegels eine gegebene
Laufstreckendifferenz, die jedes Mal anders ist. Mit anderen Worten
wird, wenn n und m der Zahl von Stufen eines jeden Spiegels entsprechen,
der eintreffende Strahl gleichzeitig mit (n × m) Laufstreckendifferenzen
verarbeitet. Ein Detektor eines Detektormosaiks erlaubt es, in der
Bildebene die zwei resultierenden Strahlen aufzufangen, die einem gegebenen
Paar von Stufen entsprechen. Dieses System erfasst also zu jedem
Zeitpunkt das gesamte Interferenzbild.
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US-A-6 016 199 schlägt eine ähnliche
Vorrichtung vor, allerdings auf Grundlage eines Interferometers
vom Fabry-Perot-Typ.
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Diese
Systeme haben als wesentlichen Nachteil, dass sie die Energie des
von jedem der Detektoren empfangenen einfallenden Strahls aufteilen. Anders
als bei den oben erwähnten
bewegten Systemen, wo jeder Detektor die Gesamtheit der dem eintreffenden
Strahl entsprechenden Energie empfängt, empfängt ein gegebener Detektor
nur einen von der Zahl der Detektoren des Mosaiks abhängigen Bruchteil
dieser Energie. Im Falle eines auf einem Satelliten mitgeführten Systems,
das eine Zone des Erdbodens untersucht, ist diese Aufteilung der
von jedem Detektor empfangenen Energie ein Nachteil aufgrund der
Entfernung des Satelliten vom Boden. Hieraus kann eine Signalstärke resultieren,
die nicht ausreicht, um den Detektoren die Erfassung des Interferenzbildes
zu ermöglichen.
Dieser Nachteil ist noch verschärft,
wenn es sich um einen um sich selbst drehenden Satelliten handelt,
wie etwa einen geostationären
Satelliten, der sich mit einer Geschwindigkeit von 0,6 Sekunden
pro Umdrehung um sich selbst dreht, weil die Projektion der Blicklinie
des Satelliten auf den Erdboden einer Ost-West-Bewegung von sehr
hoher Geschwindigkeit folgt, die durch die Drehung des Satelliten
erzeugt ist.
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Allgemein
haben Gitterspektrometer, die das zu analysierende Spektralband
in schmale Bänder aufteilen,
den gleichen Nachteil, dass sie ein schwaches radiometrisches Signal
liefern. Um ein solches Signal in der Praxis zu nutzen, muss man
es in einem sogenannten TDI-Verfahren (englisch „Time Delay Integration”) akkumulieren
oder über
mehrere Zyklen der Drehung des Satelliten akkumulieren oder im Falle
eines sich nicht drehenden Satelliten die Integrationszeit weiter
vergrößern. Dennoch
bleibt das erhaltene Signal gering.
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Die
Erfindung zielt darauf, die erwähnten Nachteile
der Spektrometer des Standes der Technik zu beheben. Sie hat insbesondere
das Ziel, ein interferometrisches Verfahren vorzuschlagen, das auf
einem Satelliten zur Beobachtung der Erdkugel, des Erdbodens, der
Erdatmosphäre
oder dergleichen, mitgeführt
werden kann und es ermöglicht – in einem gegebenen
Spektralband – das
einem gegebenen Pixel entsprechende Spektrum zuverlässig zu
bestimmen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Analyse sehr
schmaler Spektralbänder – mit λ/Δλ in der Größenordnung
von 1000 – innerhalb
z. B. eines infraroten Spektralfensters.
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Hierfür schlägt die Erfindung
ein Verfahren zum Beobachten eines Objekts mit Hilfe eines Interferometers
vor, bei dem ein einfallender Strahl in zwei resultierende Strahlen
aufgeteilt wird, indem zwischen ihnen eine Laufstreckendifferenz
induziert wird, wobei das Interferometer Detektoren aufweist, um
die Interferenzen zwischen den resultierenden Strahlen aufzuzeichnen,
wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- a)
Bewegen des Objekts vor dem Interferometer und Aufzeichnen der entsprechenden
Interferenzen, wobei das Interferometer unterschiedliche Laufstreckendifferenzen
zwischen den resultierenden Strahlen des Objekts in Abhängigkeit
vom Fortschreiten der Bewegung erzeugt; und
- b) Wiederholen des Schritts a), wobei die verschiedenen durch
das Interferometer zwischen den resultierenden Strahlen des Objekts
erzeugten Laufstreckendifferenzen in Abhängigkeit vom Fortschreiten
der Bewegung variiert werden.
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Einer
bevorzugten Ausgestaltung zufolge umfasst das Interferometer optische
Elemente, die dazu dienen, den einfallenden Strahl in zwei resultierende
Strahlen aufzuteilen und eine Laufstreckendifferenz zwischen ihnen
zu erzeugen, wobei die optischen Elemente zueinander fest sind,
und in Schritt b) wird die Veränderung
der Laufstrecke erhalten durch Verschieben des vom Objekt einfallenden Strahls
am Eingang des Interferometers in einer Richtung quer zur Bewegungsrichtung.
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Einer
anderen bevorzugten Ausgestaltung zufolge ist das Interferometer
vom Michelson-Typ durch zwei Spiegel beiderseits einer Trenneinrichtung
gebildet, wobei die zwei Spiegel und die Trenneinrichtung zueinander
fest sind, und in Schritt b) wird die Veränderung der Laufstreckenunterschiede
erreicht durch Verschieben des vom Objekt eintreffenden Strahls
am Eingang des Interferometers in einer Richtung quer zur Bewegungsrichtung.
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Der
eine der zwei Spiegel kann eine Mehrzahl von parallelen, ebenen
Oberflächen
aufweisen, die in Richtung des auf diesen Spiegel fallenden Strahls
versetzt sind, wobei jede der Oberflächen in Beziehung zu dem anderen
Spiegel eine andere Laufstreckendifferenz zwischen den resultierenden Strahlen
induziert und das Objekt bei jedem Durchlauf nacheinander von jeder
der Oberflächen
gesehen wird.
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Außerdem kann
der eine der zwei Spiegel eine Mehrzahl von planen, parallelen Oberflächen aufweisen,
die in Richtung des auf diesen Spiegel fallenden Strahls versetzt
sind, wobei jede der Oberflächen
in Beziehung zu dem anderen Spiegel eine andere Laufstreckendifferenz
zwischen den resultierenden Strahlen induziert und das Objekt bei
jedem Durchlauf von einer anderen Oberfläche gesehen wird.
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Vorzugsweise
weisen die zwei Spiegel eine Mehrzahl von planen, parallelen Oberflächen auf,
die in Richtung des auf diesen Spiegel fallenden Strahls verschoben
sind. Jedes Paar aus einer planen Oberfläche des einen der Spiegel und
einer planen Oberfläche
des anderen Spiegels erzeugt eine andere Laufstreckendifferenz zwischen
den resultierenden Strahlen, wobei das Objekt bei jedem Durchlauf
von jeder der Oberflächen des
einen der Spiegel gesehen wird, und das Objekt bei jedem Durchlauf
von einer anderen Oberfläche
des anderen Spiegels gesehen wird.
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Einer
anderen Ausgestaltung zufolge sind die Detektoren in zwei Dimensionen
angeordnet, und jedem Durchlauf entspricht eine andere Untermenge von
das Objekt sehenden Detektoren.
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Bei
einem gegebenen Durchlauf wird das Objekt vorzugsweise nacheinander
von den Detektoren der entsprechenden Untermenge gesehen.
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Die
Untermengen von Detektoren können vorteilhafterweise
durch zueinander parallele Linien gebildet sein.
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Einem
anderen Aspekt zufolge schlägt
die Erfindung einen ein Objekt wie etwa eine Zone der Erdkugel beobachtenden
Satelliten vor, der gekennzeichnet ist durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Der
Satellit ist vorzugsweise vom sich drehenden Typ, wobei die Drehung
des Satelliten den Durchlauf des Objekts vor dem Interferometer
bewirkt.
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Der
Satellit kann vorteilhafterweise einen Mechanismus aufweisen, der
den vom Objekt einfallenden Strahl am Eingang des Interferometers
verschiebt, um die Laufstreckenunterschiede in Schritt b) zu variieren.
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Andere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
das nur zur Erläuterung
und mit Bezug auf die beigefügte
Zeichnung angegeben wird.
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1 zeigt
schematisch eine interferometrische Vorrichtung, die das erfindungsgemäße Verfahren
verwendet.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf das Detektormosaik der Vorrichtung aus 1.
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3 zeigt
schematisch ein Interferometer vom Michelson-Typ, das bei der Durchführung des Verfahrens
eingesetzt werden kann.
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4 zeigt
einen Schnitt durch das Interferometer der 3.
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Die
Erfindung nutzt das Prinzip der Durchlauf-Fouriertransformationsspektrometer
nach dem Stand der Technik. Erfindungsgemäß lässt man jedoch das Objekt mehrere
Male vor dem Interferometer durchlaufen, um bei jedem Durchlauf
andere Elemente des Interferenzbildes des Objekts aufzufangen. Deshalb
können
die Fotodetektoren wie etwa CCD-Aufnehmer, die im Stand der Technik
eine Leiste – d.
h. eine Anordnung der Detektoren auf einer Linie – definierten,
in Form eines zweidimensionalen Mosaiks angeordnet sein, das vorzugsweise
mehrere benachbarte Detektorzeilen bildet. Man lässt das zu beobachtende Objekt
vor dem Interferometer so oft durchlaufen, wie Detektorzeilen vorhanden
sind. Bei jedem Durchlauf des zugeordneten Objekts vor dem Interferometer
wird ein gleiches Pixel – oder eine
zu beobachtende Zone – vorzugsweise,
bis auf Ausrichtungsfehler, von einer entsprechenden Detektorzeile
gesehen. Genauer gesagt wird bei einem gegebenen Durchlauf des Objekts
das gleiche Pixel nacheinander von den Detektoren der entsprechenden
Zeile gesehen. Außerdem
entspricht jedem der Detektoren des Mosaiks vorzugsweise eine andere Laufstreckendifferenz,
die durch das Interferometer zwischen zwei durch Teilen des einfallenden
Strahls erhaltenen Strahlen erzeugt wird. Daraus resultiert, dass
die nacheinander von den Detektoren jeder Zeile Zeile für Zeile
gelieferten Ausgangssignale das gewünschte Interferenzbild liefern.
Herkömmlicherweise
erlaubt es die Anwendung der Fouriertransformation auf das Interferenzbild,
das Spektrum des betreffenden Pixels zu bestimmen.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße interferometrische
Vorrichtung. Sie soll auf einem geostationären, sich drehenden Satelliten
mitgeführt
sein. Sie umfasst eine Pupille 1, durch die der einfallende Strahl
I in ein Interferometer 2 eintritt. Das Interferometer
teilt den einfallenden Strahl in zwei resultierende Strahlen auf
und erzeugt zwischen ihnen eine Laufstreckendifferenz. Die zwei
resultierenden Strahlen werden durch eine Linse 3 auf einen
gegebenen Fotodetektor eines Fotodetektorenmosaiks 4 fokussiert.
Wie in 1 zu sehen, ist der eintreffende Strahl fokussiert,
damit das Pixel nur von einem gegebenen Detektor 4 des
Mosaiks zu einem gegebenen Lesezeitpunkt gesehen wird. Diese Fokussierung
kann mit einer die Pupille 1 bildenden Kollimationslinse
erreicht werden.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf das Detektormosaik 4 aus 1.
Jedes Quadrat stellt einen Detektor des Mosaiks dar. Das Mosaik
ist angeordnet in Form einer Matrix mit fünfzehn Zeilen zu je zwanzig Detektoren.
Die Zahl von Detektoren ist hier aus Gründen der bequemeren Darstellung
auf dreihundert reduziert. Um 1000 Abtastwerte zu erhalten, kann
man z. B. auf eine Matrix mit fünfundzwanzig Zeilen
zu jeweils vierzig Detektoren zurückgreifen. Jede Detektorzeile
ist parallel zur Durchlaufrichtung D des beobachteten Objekts. Die
Durchlaufbewegung D wird von der Drehung des Satelliten erzeugt, wobei
die Durchlaufbewegung z. B. von Westen (O) nach Osten (E) abläuft. Beim
ersten Durchlauf des zugeordneten Objekts – oder bei der ersten Drehung des
Satelliten – wird
das Pixel nacheinander von den Detektoren der ersten Detektorzeile,
aber nicht von den Detektoren der anderen Zeilen gelesen. Dieser erste
Durchlauf ermöglicht
es also, die zwanzig ersten Elemente des Interferenzbildes aufzunehmen. Beim
zweiten Durchlauf des zu beobachtenden Objekts – oder bei der zweiten Drehung
des Satelliten – wird
das Pixel nacheinander von den Detektoren der zweiten Detektorzeile,
nicht aber von den Detektoren der anderen Zeilen gesehen. Dieser
zweite Durchlauf erlaubt also, die zwanzig nächsten Elemente des Interferenzbildes
aufzunehmen. Dies wird für
jede Detektorzeile bis zum fünfzehnten
Durchlauf des Objekts wiederholt, wonach das vollständige Interferenzbild
aufgenommen ist. Die Anwendung der Fouriertransformation auf das
Interferenzbild erlaubt es dann, das Spektrum des betreffenden Pixels
zu bestimmen.
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Der Übergang
von einer Detektorzeile zur nächsten
zwischen zwei Umdrehungen des Satelliten kann durch einen Mechanismus
zum Abtasten in Nord-(N)-Süd-(S)-Richtung
durchgeführt
werden, um den einfallenden Strahl des betreffenden Pixels zu orientieren,
so dass die resultierenden Strahlen die nächste Detektorzeile erreichen.
Dies kann in bekannter Weise mit einem Spiegel-Abtastmechanismus mit orientierbaren
Spiegel erreicht werden, der vor der Pupille 1 angeordnet
ist.
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Wie
bereits gesagt, entspricht jedem der Detektoren des Mosaiks eine
andere durch das Interferometer zwischen zwei durch Aufteilen des
einfallenden Strahls erhaltenen Strahlen eingeführte Laufstreckendifferenz.
Das Interferometer 2 kann vom veränderten Michelson-Typ sein,
der feste Spiegel aufweist. Zur Erläuterung ist in 1 das
Bild 6a – in Form
eines Rechtecks – des
Detektormosaiks 4 auf dem ersten Spiegel 5a des
Interferometers durch die Trennlamelle 7 hindurch dargestellt.
Genauso ist das von der Trennlamelle 7 reflektierte Bild 6b des
Detektormosaiks 4 auf dem zweiten Spiegel 5b dargestellt. Wie
gezeigt, ist der einfallende Strahl auf jeden der Spiegel in einer
einem gegebenen Detektor 4 entsprechenden Zone fokussiert,
wobei diese Zone mit dem Ost-West-Durchlauf, der mit der Drehung
des Satelliten zusammenhängt,
und dem Nord-Süd- Inkrement variiert,
das von dem vor dem Eingang des Interferometers angeordneten Visiersystem
durchgeführt
wird. Es ist also die relative Position dieser Zone auf jedem Spiegel 5a und 5b in
Bezug auf die Trennlamelle 7, die den Laufstreckenunterschied
der resultierenden, am entsprechenden Detektor eintreffenden Strahlen
definiert.
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3 zeigt
schematisch eine perspektivische Ansicht eines solchen Interferometers,
wobei der Buchstabe I den einfallenden Strahl bezeichnet. Das Mosaik
von Detektoren 4 ist der Einfachheit halber nicht dargestellt.
Jeder der Spiegel 5a und 5b erstreckt sich jeweils
von einer Kante der Trennlamelle 7 aus. In dem in 3 dargestellten
orthonormalen Koordinatensystem (x, y, z) ist die Trennlamelle 7 parallel
zur y-Achse, und ihre Projektion auf die (x, z)-Ebene ist eine in
Bezug auf die x- und z-Achse unter 45° geneigte Gerade.
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Der
Spiegel 5a ist treppenstufenartig geformt. Er umfasst eine
Zahl von Treppenstufen entsprechend der Zahl von Detektorzeilen
des Mosaiks von Detektoren 4–15 im Beispiel der 2.
Der Einfachheit halber sind nur die vier letzten Stufen – 12 bis 15 – dargestellt.
Jede der Stufen – die
reflektierend sind – ist
parallel zur (x, y)-Ebene. Die Stufen sind in x-Richtung benachbart
angeordnet, allerdings auf einem entlang der z-Achse unterschiedlichem
Niveau.
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In
entsprechender Weise ist der Spiegel 5b treppenstufenartig geformt.
Er weist eine Zahl von Treppenstufen auf, die der Zahl von Detektoren 4 in einer
gleichen Detektorzeile des Mosaiks – 20 im Beispiel der 2 – entspricht.
Der Einfachheit halber sind nur die fünf letzten Stufen – 16 bis 20 – dargestellt.
Jede der Stufen – die
reflektierend sind – ist
parallel zur (y, z)-Ebene. Die Stufen sind in y-Richtung benachbart
angeordnet, allerdings auf einem unterschiedlichen Niveau in x-Richtung.
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Bei
einem gegebenen Ost-West-Durchgang des zu beobachtenden Objekts
vor dem Interferometer wird ein einzelnes Pixel nur von der entsprechenden
Stufe – z.
B. der mit 12 bezeichneten Stufe – des Spiegels 5a gesehen.
Andererseits wird das gleiche Pixel nacheinander von jeder der Stufen
des Spiegels 5b gesehen. Mit anderen Worten geht ein gleiches
Pixel in Richtung der y-Achse auf dem Spiegel 5b nacheinander
von einer Stufe zur anderen über. Die
Höhe der
Stufen des Spiegels 5b ist so festgelegt, dass sich jedes
Mal die Wegstreckendifferenz um den gewünschten Wert ändert. Beim
nächsten Ost-West-Durchgang
wird das gleiche Pixel lediglich von der mit 13 bezeichneten
Stufe des Spiegels 5a gesehen, die zur vorhergehenden,
mit 12 bezeichneten benachbart ist, und zwar aufgrund des Nord-Süd-Inkrements,
das von dem bereits erwähnten
Abtastmechanismus bereitgestellt wird. Es wird aber wiederum nacheinander
von allen Stufen des Spiegels 5b gesehen. Die Höhendifferenz
der Stufe 13 des Spiegels 5a in Bezug auf die
mit 12 bezeichnete erlaubt es, eine neue Reihe von Laufstreckendifferenzen
in Beziehung zu jeder der Stufen des Spiegels 5b zu erhalten,
wobei diese Laufstreckendifferenzen von denen verschieden sind,
die mit den anderen Stufen des Spiegels 5a erhalten werden.
So erlaubt es die Gesamtheit der Stufen des Spiegels 5a in
Beziehung mit denen des Spiegels 5b, die gewünschte Zahl
von Beobachtungs-Abtastwerten
zu erhalten, von denen jeder mit einer anderen Laufstreckendifferenz
aufgenommen ist.
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Einer
bevorzugten Ausgestaltung zufolge hat jede Stufe des Spiegels 5a eine
gleiche gegebene Höhe
in Bezug auf die vorhergehende, so dass im Verhältnis zu einer beliebigen gegebenen
Stufe des Spiegels 5b jede Stufe des Spiegels 5a die
Laufstreckendifferenz um einen gegebenen Wert D in Bezug auf die
vorhergehende Stufe des Spiegels 5a inkrementiert oder
dekrementiert. Beim Spiegel 5b hat jede Stufe eine gleiche
gegebene Höhe
in Bezug auf die vorhergehende, so dass in Bezug auf eine beliebige
gegebene Stufe des Spiegels 5a jede Stufe des Spiegels 5b die
Laufstreckendifferenz um einen gegebenen Wert D/n in Bezug auf die
vorhergehende Stufe des Spiegels 5b inkrementiert oder
dekrementiert, wobei n die Zahl der Stufen des Spiegels 5b,
in unserem Beispiel also 20, ist. In diesem Fall erlaubt es
jede Stufe des Spiegels 5a, ein gegebenes Intervall von
Laufstreckendifferenzen der Breite D zu sondieren, und der Spiegel 5b erlaubt,
in jedem dieser Intervalle n Abtastwerte mit einer Unterteilungsschrittweite
D/n aufzunehmen. Die Zahl von Intervallen mit Laufstreckendifferenzen
der Breite D, die untersucht werden, entspricht offensichtlich der
Zahl der Stufen des Spiegels 5a, in unserem Beispiel also 15.
Als Variante kann der Spiegel 5b eine gegebene Breite eines
Laufstreckendifferenzenintervalls D' festlegen, und der Spiegel 5a eine
Untersuchung jedes Intervalls mit einer Unterteilungsschrittweite
D'/m erlauben – wobei
m die Zahl der Stufen des Spiegels 5a, in unserem Beispiel
also 15, ist, wobei die Zahl der untersuchten Intervalle
dann der Zahl der Stufen des Spiegels 5b entspricht.
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Die
Zeilen von Detektoren 4 des Mosaiks sind am Ausgang des
Interferometers entsprechend den von den Stufen des Spiegels 5a kommenden Strahlen
angeordnet. Außerdem
sind die Detektoren 4 des Mosaiks in Spalten entsprechend
den Stufen des Spiegels 5b angeordnet. So empfängt jeder
Detektor 4 die aus einem einfallenden Strahl I resultierenden
Strahlen von einer Stufe des Spiegels 5a in Beziehung zu
einer Stufe des Spiegels 5b.
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4 zeigt
schematisch einen Schnitt durch das Interferometer der 3 entlang
einer zur (x, z)-Ebene parallelen Ebene in Höhe der Stufe 18 des Spiegels 5b.
Der einfallende Strahl I des beobachteten Pixels ist beim vierzehnten
Durchgang des Objekts vor dem Interferometer dargestellt. Daraus
resultiert, dass das Pixel von der mit 14 gekennzeichneten
Stufe des Spiegels 5a und infolgedessen von der vierzehnten
Zeile von Detektoren 4 des Mosaiks gesehen wird. Außerdem ist
die Winkelposition des Satelliten beim West-Ost-Durchlauf zu dem
Moment aufgenommen, wo das Pixel von der Stufe 18 des Spiegels 5b gesehen
wird. Folglich ist es der achtzehnte Detektor 4 in der
vierzehnten Detektorzeile des Mosaiks, der das Pixel mit einer entsprechenden Laufstreckendifferenz
sieht. Das Bild des Strahls I ist auch in 3 als ein
schwarzer Fleck auf der Stufe 14 des Spiegels 5a und
der Stufe 18 des Spiegels 5b dargestellt.
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Als
Variante könnte
einer der zwei Spiegel nicht treppenstufenartig, sondern eben sein.
In diesem Fall ist die Ebene vorzugsweise so geneigt, dass sie die
Kanten der Treppenstufen des betreffenden Spiegels in der vorhergehenden
Konfiguration enthält.
Das Interferometer kann eine andere Konstruktion aufweisen, sofern
es in der Lage ist, in der Brennebene ein Bild so zu erzeugen, dass
jedes Pixel mit einer anderen Laufstreckendifferenz gesehen wird, wobei
die Bewegung der Vorrichtung in Bezug auf das zu beobachtende Objekt – z. B.
ein Objekt am Erdboden – in
zwei verschiedenen Richtungen es erlaubt, das Bild dieses gleichen
Objektes in der Brennebene zu verschieben und so das vollständige Interferenzbild
aufzunehmen.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass sie die Länge der Detektorleisten in
Folge ihrer Anordnung in zwei Dimensionen reduziert. Die Länge des
Mosaiks in der Durchlaufrichtung ist so verringert, dass Ausrichtungsfehler
der Detektorzeilen in Bezug auf den Durchlauf des Objekts vernachlässigbar
werden, wodurch gewährleistet
ist, dass alle Detektoren tatsächlich
nacheinander das gleiche Pixel sehen. Außerdem wird die Strahlungsenergie
nicht gleichzeitig von einer Mehrzahl von Detektoren, sondern nur
von einem einzigen empfangen, was eine ausreichende Energie für eine zuverlässige Erfassung gewährleistet.
Das Interferometer aus
3 hat eine Struktur ähnlich der
in
FR-A-2 787 186 beschriebenen,
wird aber in anderer Weise genutzt. Bei dem Stand der Technik beleuchtet
nämlich
der einem Pixel entsprechende einfallende Strahl gleichzeitig die
Gesamtheit der zwei Spiegel und wird daher von der Gesamtheit des
Mosaiks von Detektoren gesehen. Bei der Erfindung hingegen beleuchtet
der vom betreffenden Pixel einfallende Strahl – zu einem gegebenen Lesezeitpunkt – lediglich
einen Abschnitt mit der Länge
einer einzigen Stufe des ersten Spiegels sowie einen Abschnitt mit
der Länge
einer einzigen Stufe des zweiten Spiegels, so dass er nur von einem
einzigen Detektor gesehen wird. Mit anderen Worten empfängt dieser
Detektor die gesamte am Ausgang des Interferometers gelieferte Strahlungsenergie,
anstatt nur einen Teil von ihr zu empfangen, wie nach dem Stand
der Technik der Fall ist.
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Die
Zahl von Abtastwerten, die zum Bestimmen des Spektralbildes durch
Anwendung der Fouriertransformation in einen Spektralbereich von
0,5 bis 5 µm
erforderlich ist, beträgt
z. B. etwa 1000 für eine
Feinheit von λ/Δλ in der Größenordnung
von 1000 (das ganze Fenster von 0 bis 5 µm wird so wiedergegeben).
Wenn man jedoch sehr schmale Spektralbänder untersuchen will – mit λ/Δλ in der Größenordnung
von 1000 – innerhalb
eines Infrarotspektralfensters zwischen 4 und 5,5 µm, kann
man die Zahl der Abtastwerte auf 300 reduzieren. Es ist nämlich möglich, das
Spektralbild durch Rückgriff
auf Übermodulationstechniken
zuverlässig
zu bestimmen. In diesem Fall umfasst das Mosaik von Detektoren also dreihundert Detektoren,
die z. B. in fünfzehn
Zeilen zu je zwanzig Detektoren angeordnet sein können, wie
in 2 dargestellt. Der Vorteil ist offensichtlich, dass
die Länge
des Mosaiks in Durchlaufrichtung weiter verringert ist, was das
System noch weniger empfindlich gegen Ausrichtungsfehler der Detektorzeilen
zur Durchlaufrichtung macht.
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Im
Fall eines geostationären
Satelliten kann man vorteilhaft ein Pixel von 12 km Breite – der Breite des
Beobachtungsstreifens – anwenden,
da dies einen guten Kompromiss zwischen der Entfernung des Satelliten
vom Boden und der Notwendigkeit, das Vorhandensein von Wolken zu
vermeiden, darstellt, da die Wahrscheinlichkeit, keine Wolken zu
haben, zunimmt, wenn die Größe des Pixels
abnimmt.
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Selbstverständlich ist
die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen und dargestellten Beispiele
und Ausgestaltungen beschränkt,
sondern eignet sich zu zahlreichen dem Fachmann zu Gebote stehenden
Abwandlungen. So kann der Durchlauf des Satelliten in Richtung von
Osten nach Westen anstatt von Westen nach Osten sein. Allgemeiner
ist das erfindungsgemäße Spektrometer
nicht nur auf sich drehenden geostationären Satelliten, sondern auch
auf Satelliten auf niedrigen Umlaufbahnen oder sich nicht drehenden
Satelliten anwendbar.