DE3102880A1 - Verfahren und einrichtung zur kalibrierung von abtastern - Google Patents

Description

Anmelderin: Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V., 5000 Köln

Verfahren und Einrichtung zur Kalibrierung von Abtastern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung von Abtastern während ihres Betriebs, inbesondere von Zeilenabtastern für Luft- oder Raumfahrzeuge, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Aufnahme von Gegenständen wie der Erdoberfläche und/oder der über ihr befindlichen Wolken im sichtbaren Spektralbereich, im nahen Infrarot oder im thermalen Infrarot von Luft- oder Raumfahrzeugen aus zur Gewinnung von Meßdaten und zur Bilderzeugung erfolgt in vielen Fällen mit derartigen Abtastern.

Zeilenabtaster nehmen einen Gegenstand beispielsweise in einer Folge gerader Zeilen auf, die quer zur Flugrichtung verlaufen. Durch die Fortbewegung wird bei entsprechender Abstimmung von Fluggeschwindigkeit, Flughöhe und Öffnungswinkel des optischen Systems ein Streifen des betreffenden Gegenstands lückenlos erfaßt. Die Aufnahme der von den Gegenständen remittierten oder emittierten Strahlung kann mit Hilfe von Fotodetektoren erfolgen.

Die Anforderungen an die Meßgenauigkeit der Strahlungsmeßgeräte, insbesondere von Zeilenabtastern sind so hoch, daß auch kleine

Änderungen berücksichtigt werden müssen, beispielsweise Änderungen der Empfindlichkeit des Gesamtsystems, die durch Änderungen der Empfindlichkeit der Detektoren oder durch Temperaturänderungen des optischen Systems hervorgerufen werden. Bei optisch-mechanischen Zeilenabtastern ist es in diesem Zusammenhang bereits bekannt, einen oder mehrere Eichstrahler einzubauen, deren Strahlung beim Umlauf des Abtastspiegels mit erfaßt wird (Applied Optics 15, 2153 - 2161 (198O)).

In Fig. 1 ist ein Beispiel dafür schematisch dargestellt.anhand dessen der damit durchzuführende Kalibrierungsvorgang während des Betriebs des Gerätes erläutert werden soll. Wie der linke Teil der Fig. 1 zeigt, rotiert der Drehepiegel DS um die Achse A und tastet, wenn er während des Umlaufs nach unten gerichtet ist, einen senkrecht zur Bildebene verlaufenden Streifen des Gegenstands G ab. Die von diesem emittierte und/oder remittierte Strahlung wird über den Drehspiegel DS auf die Optik OP gelenkt und von dieser auf den Detektor DE fokussiert, der dann ein entsprechendes Meßsignal erzeugt, z. B. in Form einer elektrischen Spannung U. Dabei ist davon auszugehen, daß die Beziehung zwischen U und S durch eine Eichung im Labor bestimmt wurde (ε· Labor-Eichkurve in Fig. 2).

Weist der Drehspiegel DS bei seinem Umlauf nach oben (s. den rechten Teil von Fig. 1) ,so reflektiert er,

(axe von aera*"ETcTfstranTeTr Es ausgehende Strahlung S(ES). Ist deren Absolutwert bekannt, bei einem Eichstrahler für den thermalen Infrarotbereich z. B. aus der Temperatur des Eichstrahlers, so ist damit ein Punkt der Betriebs-Eichkurve bekannt, die von der im Labor gewonnenen etwas abweichen kann, z. B. weil die Empfindlichkeit des Detektors unter den Meßbedingungen eine andere als während der Labor-Eichung ist.

Sind mehrere Eichstrahler ES angebracht, die unterschiedliche, .bekannte Strahlungswerte S(ES) abgeben, so lassen sich entsprechend mehrere, unterschiedliche Punkte der für diesen Zeitpunkt geltenden Betriebs-Eichkurve bestimmen. Für die Auswertung der Messungen an dem abgetasteten Gegenstand G wird dann diese Betriebs-Eichkurve benutztjoder es werden an den Auswertungen mit der Labor-Eichkurve entsprechende Korrekturen angebracht. Für verschiedene Zeitpunkte können dabei unterschiedlichen Betriebs-Eichkurven gelten und damit auch unterschiedliche Korrekturen.

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Hohe Anforderungen an die optische Auflösung von Abtastern erfordern ferner größere Durchmesser der optischen Systeme und damit auch größere Eichstrahler, da Eich- und Meßstrahlungsbündel sonst nicht übereinstimmen. Dies führt zu erheblichen technischen Schwierigkeiten. Vermutlich aus diesem Grund wurde bei dem Radiometer der Wettersatelliten Meteosat 1 und 2 auf eine die Optik einbeziehende Kalibrierung im Flug verzichtet.

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Bei einem bekannten Stereo-Zeilenabtaster, bei dern^größte Teil des 36O°-Abtastspiegelumlaufs für die Gegenstandsaufnahme erforderlich ist (DE-OS 28 33 808), besteht dagegen die Schwierigkeit, einen hinreichenden Anteil des Umlaufs für die Eichstrahler freizuhalten.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens unter möglichst weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten derart zu verbessern, daß eine Kalibrierung des gesamten Abtasters unter Einschluß des optischen Systems möglich ist Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung kann auf den Einbau von Eichstrah in den Abtaster A verzichtet werden, da die Kalibrierung während des Be triebs mit einem zusätzlichen, absolut kalibrierten Radiometer (Kalibri rungs-Kadiometer) R erfolgt, wie dies die Fig. 3 zeigt. Das Radiometer i kann z« B. so ausgerichtet werden, daß es den in Fig. 3 schraffierten Ausschnitt EF des von dem Abtaster A abgetasteten Gegenstandsstreifens erfaßt. Aus der Messung des absolut kalibrierten Radiometers R ergibt κ ■ für den Gegenstandsausschnitt RF der Strahlungswert S(RF). Der Abtaster A liefert für RF den Spannungswert U(RF). Mit diesem Wertepaa.r S(RF)/U(J kann, wie' Fig. k zeigt, ein Punkt der Betriebs-Eichkurve des Abtasters bestimmt und die Differenz zur Labor-Eichkurve ermittelt werden. Da sie! " füjr jede neue Zeile des Abtasters ein neues Wertepaar S(RF)/U(RF) ergib* und dies^e-^sich in der Segel voneinander unterscheiden, können diese Ver« gleiche an einer-ganzen Anzahl von verschiedenen Stellen der Eichkurve ausgeführt werden. , _Λ , „ ^

Das Meßfeld RF des Kalibrierungs-Radiometers muß nicht notwendigerweise mit dem des Abtasters übereinstimmen. Ist es größer als das des Abtasters, so muß für die Bestimmung von U(RF) über die entsprechende Anzahl der Meßwerte des Abtasters gemittelt werden, die innerhalb von RF liegen.

Das Kalibrierungsverfahren gemäß der Erfindung entbindet in der Regel nicht von einer Absolut-Kalibrierung des Kalibrierungs-Radiometers während des Betriebs, z. B. mit eingebauten Eichstrahlern, doch ist diese bei dem Kalibrierungs-Radiometer einfacher al6 bei dem Abtaster durchzuführen. In manchen Fällen ist sie überhaupt nur bei dem Kalibrierungs-Radiometer möglich.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß mit dem zusätzlichen absolut kalibrierten Radiometer eine Unabhängigkeit von den technischen Gegebenheiten der Abtaster erzielbar ist, was inbesondere bei Zeilenabtastern praktisch bedeutsam ist. Dadurch kann eine absolute Kalibrierung des Abtasters während des Betriebs vorgenommen werden, die auch Einflüsse berücksichtigt, die vom optischen System des Abtasters ausgehen, selbst wenn es sich um große optische Systeme handelt.

Das zusätzliche Radiometer kann im Vergleich zum Abtaster klein sein, insbesondere wenn die optische Auflösung des Radiometers geringer als die des zu kalibrierenden Systems ist. Das Radiometer kann intern während des Betriebs absolyt kalibriert werden, wozu sich relativ kleine Eichstrahler verwenden lassen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das zusätzliehe Radiometer fest·ausgerichtet sein kann. Durch die Ausrüstung des bzw. der Radiometer mit zusätzlichen Spektralkanälen, die der Zeilenabtaster nicht enthält, lassen sich zusätzliche

Aufgaben lösen, für die Meßdaten benötigt werden, die keine oder nur eine eingeschränkte flächenmäßige Abtastung oder nur eine geringe f lächenmäßige Auflösung erfordern. Dies ist z.B. bei Messungen von Parametern der Strahlungsbilanz der Fall.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schemazeichnung eines bekannten Seilenabtastere mit eingebautem Eichstrahler zur Erläuterung des Standes der Technik; Fig. 2 eine grafische Darstellung zur Bestimmung der Betriebs-Hlchkurve

nach dem Stand der Technik;
Fig. 3 eine Schemazeichnung zur Erläuterung des Verfahrens gemäß der Erfin

dung;
Fig. k eine grafische Darstellung zur bestimmung der Betriebs-Eichkurve gemäß der Erfindung;

Fig. O und ^; schematische perspektivische Darstellung/Von Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. φ, £ und <j[ schematische perspektivische Darstellungen von Anwendungsbeispielen;

Fi g../0 eine Aufsicht auf eine von dem Zeilenabtaster und dem zusätzlichen Radiometer erfaßte Fläche eines Gegenstands.

Das in Fig. 5Γ darstellte Ausführungsbeispiel zeigt ein zusätzliches Radiometer R, das für eine Kalibrierung eines Zeilenabtasters vorgesehen und mit dem Zeilenabtaster so verbunden ist, daß die Lage seines Gesichtsfelds im Vergleich zu der des Zeilenabtasters bekannt ist. Vor dem Radiometer R ist eine drehbare Lochscheibe LS angeordnet, durch die das Radiometer wechselweise die Meßstrahlung durch die öffnungen MS und die Strahlung der beiden Eichsteihler ES1 und ES2 mißt. Mit der Eichstrahlung wird das Radiometer selbst intern absolut kalibriert, . DJLejse...Meßstrahlung wird mit der Meßstrahlung verglichen,

die der Zeilenabtaster vom gleichen Gegenstandsausschnitt aufnimmt. Eine kontinuierliche Bewegung der Lochscheibe bringt irebesondere im Weltraum Vorteile, da sie keine Zusatzbeschleunigungen bewirkt.

Fig. 9 zeigt den Abtaststreifen des Zeilenabtasters ZA mit einer eingezeichneten Zeile Z und die Eichspur ESP des Kalibrierungs-Radiometers KR. Die Eichspur ist unterbrochen, veil in den Zwischenzeiten das Radiometer die Eichstrahlung für die interne Kalibrierung mißt.

Bei dem in Fig. ^f dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in Fig.Ό'ein Drehspiegel DS vorgesehen, der vor dem Radiometer R rotiert. Auch dadurch werden wechselweise die Meßstrahlung und die Eichstrahlung von den Eichstrahlern ES1 und ES2 dem Radiometer zugeführt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Drehspiegel als zweiflächiges 45 -Spiegelprisma ausgebildet. Bei einer einmaligen Umdrehung des Drehspiegels werden die Meßstrahlung und die zwei Eichstrahlungen dem Radiometer je zweimal zugeführt. Je nach Erfordernissen können auch ein-, drei- und mehrflächige Drehspiegel verwendet werden. Mit dieser Ausführuncjsform kann im Unterschied zu der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform auch eine Abtastung in Streifenform vorgenommen werden, wobei die Zahl der Spiegdflachen des Drehspiegels die Ausdehnung des Abtastbereichs bestimmt. Im Prinzip kann eine Abtastung auch mit der in Fig. 4) dargestellten Einrichtung erfolgen, wenn diese quer zur Flugrichtung hin- und hergeschwenkt werden kann. Wegen der dabei auftretenden Beschleunigungen empfiehlt sich dieses Verfahren jedoch nicht für den Einsatz im Weltraum.

In Fig. ί ist der von dem Zeilenabtaster ZA erfaßte Gegenstandsstreifen dargestellt, mit einer Abtastzeile Z und mit dem in diese Zeile fallenden Abtastbereich des Radiometers, welcher dem nicht schraffierten Teil der Zeile entspricht. Wird der Drehspiegel so ausgelegt, daß mit dem zusätzlichen Radiometer die gesamte Zeilenbreite abgetastet werden kann, so läßt sich auf diese Weise eine an sich bekannte optoelektronische Kamera (Bildmessung und Luftbildwesen 47, 33-40 (1979)) kalibrieren.

Fig. S zeigt die Kalibrierung für den Fall eines bekannten Stereo-Zeilenabtasters (DE-OS 28 33 808). Die Achse des in Fig. ^T dargestellten Drehspiegels DS verläuft hier horizontal und senkrecht zur Flugrichtung, so daß die Abtastung des zusätzlichen Radiometers in Flugrichtung erfolgt. Auf diese Weise können sowohl Kalibrierungen für die nach vorn als auch für die nach hinten gerichtetenAbtastebenenZV und ZR vorgenommen werden. Die schraffierten Teile der Abtastspur deuten an, daß bei den entsprechenden Stellungen des Drehspiegels interne Kalbrierungen mit den eingebauten Eichstrahlern möglich sind.

zeigt einen Ausschnitt aus einer von einem Zeilenabtaster erfaßten Fläche mit den einzelnen vermessenen Flachenelementen (als kleine Quadrate dargestellt) und schraffiert die Meßfläche eines zusätzlichen Radiometers mit wesentlich geringerer Auflösung. Diese gestattet, ein im Vergleich zu dem eines hoch auflösenden Zeilenabtasters viel kleiners optisches System zu verwenden. Damit reduziert sich auch die Größe der Eichstrahler und dementsprechend der dafür erforderliche Aufwand. Bei der Kalibrierung des Zeilenabtasters mit dem zusätzlichen Radiometer wird dann der Mittelwert aller Meßwerte von dem in dem schraffierten Feld liegenden Flachenelementen genutzt, gegebenenfalls mit entsprechender Wichtung der in den Randbereichen des Radiometers nur teilweise erfaßten Flächenelemente. Eine genaue Kenntnis der von dem zusätzlichen Radiometer erfaßten Fläche ist erforderlich.

Unterschiedliche Spektralkanäle des Zeilenabtasters können entweder mit mehreren Spektralkanälen in einem einzigen zusätzlichen Radiometer kalibriert werden, oder mit mehreren zusätzlichen Radiometern, die jeweils einen oder mehrere, jedoch nicht alle Spektralkanäle aufweisen.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zur Kalibrierung von Abtastern während ihres Betriebs, insbesondere von Zeilenabtastern für Luftoder Raumfahrzeuge, bei denen die Kalibrierung durch eine radiometrische Vergleichsmessung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung durch

   .minfestens Vergleich des Signals des Abtasters mit dem Signal/eines zusätzlichen Radiometers von jeweils demselben Meßobjekt erfolgt.

   ο Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, zur Kalibrierung der Stehlungsnachweiseinrichtung von Abtastern während ihres Betriebs

   dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein zusätzliches Kalibrierungs-Radiometer vorgesehen ist.

   3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichn et, daß das oder die Kalibrierungs-Radiometer mit einem oder mehreren Eichstrahlern intern absolut kalibrierbar sind.

   3H-2880

   4. Ein' .'-'htuiic] nach Anspruch 2, dadurch gtkennz e i c h η e t, daß das oder die Kalibrierungs-Radiometer auf einen definier ten Ausschnitt des Meßobjekts fest ausgerichtet oder bev.'eglich ausrichtbar sind.

   5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Kalibrierungs-Radiometer eine Abtastung durchführbar ist.

   6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekenn zei chnet, daß die Abtastung mit dem Kalibrierungs-Radiometer mittels eines beweglichen Spiegels durchführbar ist, über den die Eichstrahler eingespiegelt werden.

   7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Auflösung mindestens eines Kalibrierungs-Radiometers geringer als die des zu kalxbrierenden Systems ist.

   8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekenn zei chnet, daß das oder die Kalibrierungs-Radiometer dieselben Spektralkanäle wie das zu kalibrierende System aufweisen.

   9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das oder die Kalibrierungs-Radiometer außer den Spektralkanälen des zu kalibrierenden Systems zusätzliche Spektralkanäle aufweisen.