DE3614159A1

DE3614159A1 - Verfahren und vorrichtung zur bildaufnahme eines objektes in zeilen

Info

Publication number: DE3614159A1
Application number: DE19863614159
Authority: DE
Inventors: Otto Hofmann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: LFK Lenkflugkoerpersysteme GmbH
Priority date: 1986-04-26
Filing date: 1986-04-26
Publication date: 1988-02-04
Also published as: US4814607A; FR2597985A1; FR2597985B1; DE3614159C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor richtung zur Bildaufnahme eines Objektes gemäß den Oberbe griffen der unabhängigen Patentansprüche.

In den letzten zwei Jahrzehnten ist die Luftaufnahme z. B. der Erdoberfläche mit Hilfe von herkömmlichen, auf den Spezialzweck angepaßten Fotoapparaten mehr und mehr er setzt oder ergänzt worden durch hochauflösende Abtastver fahren, zunächst mit Hilfe von Vidicons, später dann mit Foto-Halbleiterzeilensensoren nach Art von ladungsgekoppelten Speichern. Das Objekt, z. B. die Erdoberfläche wird hierbei von einem Flugkörper, z. B. einem Erdsatelliten in großer Höhe und im wesentlichen parallel zur Erdoberfläche überflogen. Das Objekt wird dann unter einem bestimmten Blickwinkel α, der in einer Vertikalebene durch die Flugrichtung liegt, in im wesentlichen quer zur Flugrichtung liegenden Zeilen optisch abgetastet. Die dabei aufgenomme nen Bildzeilen werden anschließend zu einem Gesamtbild zusammengesetzt.

Die Auflösung der Bildaufnahme quer zur Flugrichtung hängt u. a. von der Brennweite des verwendeten Abtasters ab, so daß durch deren Vergrößerung die Bodenpixelgröße theoretisch beliebig klein gemacht werden kann, selbst bei großen Flughöhen, wie sie bei Aufnahmen der Erd oberfläche mit Hilfe von Satelliten vorkommen. Dagegen ist die Pixelauflösung in Flugrichtung auch von der Flugge schwindigkeit und der Belichtungszeit abhängig. Bei Satel liten ist die Fluggeschwindigkeit eine vorgegebene, nahezu unveränderliche Größe von ca. 7000 Meter pro Sekunde. Um eine genügend kleine Pixelauflösung auch in Flugrichtung zu erhalten, muß demnach die Belichtungszeit für eine Zeile genügend klein oder dementsprechend die Zeilenfrequenz genügend groß sein. Sehr kurzen Belichtungszeiten steht jedoch die begrenzte Empfindlich keit des verwendeten Sensors entgegen, so daß das Signal/ Rauschverhältnis zu ungünstig wird. Die gleichen Überlegungen gelten für sehr schnell bewegte Flugkörper in Bodennähe, wenn man eine große Auflösung fordert.

Für kartografische Aufnahmen der Erdoberfläche aus dem Weltraum werden eine hohe Bodenpixelauflösung und somit kleine Bodenpixeldurchmesser gewünscht. Um dieses Problem in Anbetracht der obigen Schwierigkeiten zu lösen, hat man sogenannte TDI-Sensoren entwickelt, wobei TDI für Time Delay and Integration steht. Diese Sensoren bestehen aus mehreren parallel angeordneten Sensorzeilen, deren schwa che Bildsignale von Zeile zu Zeile aufintegriert werden. Diese Sensoren sind jedoch sehr teuer. Außerdem müssen die Sensorzeilen sehr exakt zur Flugrichtung ausgerichtet sein, und die Taktfrequenz der Zeilensensoren muß exakt auf die Bildbewegung, d. h. auf die Fluggeschwindigkeit und die Flughöhe des Flugkörpers abgestimmt sein. Zudem steigt die Empfindlichkeit des TDI-Sensors nicht proportional mit der Anzahl der parallelen Zeilen, sondern nur etwa mit der Wurzel, da auch das Rauschen mit der Wurzel zunimmt.

Eine umfassende Darstellung der digitalen Aufnahmetechnik mit Zeilensensoren ist dem Aufsatz von O. Hofmann zu entneh men, der in der Zeitschrift Bildmessung und Luftbildwesen, Jahrgang 50 (1982), Heft 1, Seiten 16 bis 32 veröffent licht worden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der in Rede stehenden Art anzugeben, um auf einfache Weise die Auflösung der Objektpixel in Flugrichtung zu erhöhen und flexibel an die Auflösung quer zur Flugrichtung anpassen und an diese angleichen zu können.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die kennzeich nenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Demnach wird während der Abtastung der Blickwinkel α in bezug zu der Flugrichtung vergrößert, so daß während einer gewissen Zeitdauer der Bildaufnahme das von einer Sensor zeile abgetastete Gebiet in Flugrichtung eine geringere Länge hat als die Projektion der Flugbahn auf das Objekt in Lotrichtung.

Der Blickwinkel wird in einer zyklischen und annähernd proportional zur Fluggeschwindigkeit Bewegung, beginnend von einem Ausgangswert zunächst über einen beschränkten Winkelbereich vergrößert und anschließend kurzzeitig wieder auf den Ausgangswert eingestellt. Je nach Abstimmung der Drehgeschwindigkeit des Blickwinkels auf Flughöhe und Fluggeschwindigkeit des Flugkörpers wird dann ein entspre chender Streifen des Objekts aufgenommen. Die Streifen können lückenlos aneinander anschließen, wenn das Objekt gleichzeitig unter verschiedenen Blickwinkeln mit mehreren Sensoren abgetastet wird, die alle in bezug zur Flugrich tung im Sinne der Erfindung verstellt werden. Die Verstell geschwindigkeit kann so abgestimmt werden, daß, in Flugrichtung gesehen, die Länge des während eines Zyklus abgetasteten Gebietes auf der Oberfläche des Objekts der lotrechten Projektion der Flugbahn während des Zyklus entspricht.

Zur Veränderung des Blickwinkels sind mehrere Möglichkeiten gegeben, z. B. Verschwenken des gesamten Zeilenab tasters oder des Flugkörpers, z. B. des Erdsatelliten um seine Nickachse, Verschiebung des Objektives in bezug auf die Bildebene, die die Sensorzeilen enthält, gegen die Flugrichtung, oder Verschiebung der Sensorzeilen in der Bildebene in Flugrichtung oder es sind sonstige optische Ablenkmittel vorgesehen. Wenn mehrere Zeilensensoren vorge sehen sind, so kann für jeden Zeilensensor oder für eine bestimmte Gruppe von Zeilensensoren ein eigenes Objektiv vorgesehen sein, so daß die Verdrehung des Blickwinkels individuell gesteuert werden kann.

Die günstigste Möglichkeit ist es jedoch, mehrere parallele, quer zur Flugrichtung angeordnete optoelektronische Zeilensensoren zu verwenden, z. B. die erwähnten ladungsge koppelten Halbleitersensoren, und diese Zeilensensoren auf einem in der Bildebene des Zeilenabtasters gelegenen Träger anzuordnen und diesen mit einem zyklisch arbeitenden Antrieb in der Bildebene während des Abtastvorganges langsam zu verschieben und anschließend rasch in die Ausgangsposition zurückzuführen. Die Verschiebegeschwindig keit wird im Hinblick auf die Fluggeschwindigkeit des Flugkörpers, die Brennweite des Zeilenabtasters, die Anzahl der Sensorzeilen und die Flughöhe so gewählt, daß das Objekt lückenlos aufgenommen wird.

Selbstverständlich ist es nicht unbedingt notwendig, ein Objekt lückenlos aufzunehmen, wenn z. B. nur spezielle Ge biete des Objektes von Interesse sind. Dann kann lediglich in diesen Gebieten die Auflösung nach dem erfindungsgemäßen Prinzip vergrößert werden.

Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Erdsatelliten zur Bildaufnahme der Erdoberfläche mit einem Zeilenab tastverfahren gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Verfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine Anordnung von Zeilensensoren in einem Zeilen abtaster gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist schematisch ein Teil 1 der Erdoberfläche ge zeigt, über die ein Erdsatellit 2 in Richtung des gezeigten Pfeiles mit der Geschwindigkeit v in einer konstanten Flughöhe H fliegt. Die Projektion der Flugbahn des Satelliten 2 auf die Erdoberfläche 1 in Lotrichtung ist mit 3 be zeichnet. An Bord des Satelliten 2 ist eine Einrichtung zur Bildaufnahme der Oberfläche verhanden, die als wesent lichen Teil einen in Fig. 2 schematisch angedeuteten Zeilen abtaster 4 enthält. Dieser Zeilenabtaster weist eine Eingangsoptik 5 mit einer Brennweite c und in der Bildebene der Eingangsoptik mehrere Zeilensensoren, in diesem Falle drei Zeilensensoren, 6 a, 6 b und 6 c auf. Diese Zeilen sind quer zur Flugrichtung des Satelliten ausgerichtet und entsprechend Fig. 3 auf einem Träger 7 angeordnet. Der Träger 7 ist in Art eines Förderbandes um zwei Förderrollen 8 a und 8 b geführt, wobei die eine Rolle 8 a mit Hilfe eines Motors 9 angetrieben ist. Die Trägerbewegung erfolgt in Flugrichtung, der Abstand zwischen den einzelnen Sensorzeilen in dieser Richtung ist mit a bezeichnet.

Von den Zeilensensoren 6 a, 6 b bzw. 6 c werden jeweils Zeilen 10 a, 10 b bzw. 10 c auf der Erdoberfläche 1 abgebildet, so daß beim Flug des Erdsatelliten ein Oberflächenstreifen 11 mit der Breite der Zeilen 10 von dem Zeilenabtaster auf genommen wird. In den Fig. 1 und 2 sind die fächerförmigen ebenen Strahlenbündel, die jede Zeile 10 a, 10 b bzw. 10 c mit dem zugehörigen Zeilensensor 6 a, 6 b bzw. 6 c bilden, mit 12 a, 12 b bzw. 12 c bezeichnet. Der Winkel zwischen dem Mittelstrahl jedes fächerförmigen Strahlenbündels 12 a, 12 b und 12 c gegenüber der Flugrichtung v des Satelliten 2 ist als jeweiliger Blickwinkel α _i definiert. (i=a, b, . . .).

Wie in der linken Hälfte der Fig. 2 gezeigt, sind die Zeilen sensoren 6 a, 6 b und 6 c zunächst so ausgerichtet, daß der Blickwinkel des Zeilensensors 6 c 90° ist, d. h. das Strahlenbündel 12 c liegt in der Lotebene. Das Strahlenbündel 12 a ist nach vorne gerichtet, so daß der Blickwinkel des Zeilensensors 6 a kleiner als 90° ist. Der Träger 7 der Zeilensensoren wird während des Fluges des Satelliten mit einer geringen konstanten Verschiebegeschwindigkeit v _s in Flugrichtung verschoben. Dies erfolgt so lange, bis nach einem definierten Flugweg F des Satelliten 2 die Blickrich tung des Sensors 6 a in Lotrichtung liegt. Sämtliche den einzelnen Zeilensensoren zugeordneten Blickwinkel α _n gegen über der Flugrichtung sind vergrößert worden, so daß in der Lage des Satelliten gemäß der rechten Hälfte in Fig. 2 die Blickwinkel der Zeilensensoren 6 b und 6 c nach rück wärts gerichtet sind. Die den Zeilensensoren zugeordneten Strahlenbündel nach dem Flugweg F sind in Fig. 2 gestrichelt dargestellt. Während des Flugweges F des Satelliten 2 ist vom Zeilensensor 6 a der Teilstreifen A 1, vom Zeilen sensor 6 b der Teilstreifen A 2 und vom Zeilensensor 6 c der Teilstreifen A 3 aufgenommen worden. Die gleich breiten Teilstreifen schließen lückenlos aneinander an.

Aus den in Fig. 2 dargestellten geometrischen Zuordnungen errechnet sich eine Verschiebegeschwindigkeit v _s zu

wobei n die Anzahl der Sensorzeilen ist und in diesem Falle zu n=3 gesetzt wird. Bei einer vorgegebenen Flugge schwindigkeit v kann auf der Erdoberfläche eine Pixelgröße in Flugrichtung D erreicht werden, die sich errechnet zu

In dem dargestellten Fall ist die Auflösung demnach um den Faktor 3 gegenüber einem Zeilenabtaster mit einem einzigen Zeilensensor gesteigert. Ein solch erhöhtes Auslösungsver mögen entspricht demjenigen eines TDI-Sensors mit dann etwa neun Zeilen.

Am Ende des Flugweges F wird der Motor 9 umgeschaltet und führt mit hoher Geschwindigkeit v _r den Träger 7 in die Aus gangsposition zurück. Dies ist in der rechten Hälfte der Fig. 2 strichpunktiert dargestellt.

Der minimale Abstand a zwischen den Zeilensensoren ist von ihrem räumlichen Platzbedarf abhängig. Der Maximalabstand wird durch das Blickfeld des Objektives 5 des Zeilenab tasters 4 begrenzt. Die Verschiebegeschwindigkeit und auch die Zyklusdauer des Motors 9 ist von der Sensorzeilenzahl n und daher mittelbar auch von der Wahl dieses Abstandes a abhängig. Die Verschiebegeschwindigkeit des Trägers 7 muß genau gemessen und synchron mit der Bildzeilenaufzeichnung registriert werden, so daß die Bildkoordinaten der Sensor zeilen zu jedem Zeitpunkt der Zeilenabtastung genau bekannt sind.

Bei den oben angegebenen Formeln wurde jeweils die Erdkrüm mung nicht berücksichtigt. Fliegt ein Satellit in 300 km Höhe, so beträgt bei einem Flugweg von 400 km die gegenüber der Mitteltangente gemessene Erdkrümmung ca. 3,5 km, demnach etwa 1% der Flughöhe. Korrekturen zur Berücksichtigung der Erdkrümmung sind selbstverständlich möglich.

Die Erfindung kann auch vorteilhaft in digitalen Foto grammetriesystemen eingesetzt werden, bei denen dann drei Zeilensensorengruppen verwendet werden, die jeweils die Erdoberfläche in unterschiedlichen Blickrichtungen nach dem hier erläuterten Verfahren abtasten.

Claims

1. Verfahren zur Bildaufnahme eines Objektes von einem Flugkörper aus, der das Objekt überfliegt, indem das Objekt unter einem bestimmten Blickwinkel in bezug auf die Flugrichtung in im wesentlichen quer zur Flugrich rung liegenden Zeilen optisch abgetastet wird und die dabei aufgenommenen Bildzeilen zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß während der Abtastung der Blickwinkel ( α ) in bezug zu der Flugrichtung (v) vergrößert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Blickwinkel ( a ) in einer zyklischen Bewegung, be ginnend von einem Ausgangswert, über einen beschränkten Winkelbereich vergrößert und anschließend wieder auf den Ausgangswert eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (1) gleichzeitig unter verschiede nen Blickwinkeln abgetastet wird, die alle gleichzeitig in bezug auf die Flugrichtung (v) vergrößert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Blickwinkel so gewählt und zyk lisch so verstellt werden, daß die während eines Zyklus aufgenommenen, aus den Bildzeilen zusammengesetzten Bildabschnitte entsprechend den mit unterschiedlichen Blickwinkeln abgetasteten Oberflächenstreifen direkt an einanderschließen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Flugrichtung gesehen, die Länge des während eines Zyklus abgetasteten Streifenabschnittes (A 1+A 2+A 3) auf der Oberfläche des Objektes (1) der lotrechten Pro jektion des Flugweges (F) des Flugkörpers (2) während des Zyklus entspricht.

6. Vorrichtung zur Bildaufnahme eines Objektes von einem Flugkörper aus, der das Objekt überfliegt, mit einem Zeilenabtaster, der eine im wesentlichen quer zur Flugrichtung liegende Zeile auf der Oberfläche des Objektes unter einem bestimmten Blickwinkel ( α ) gegenüber der Flugrichtung optisch abtastet, wobei die dabei aufgenommenen Bildzeilen zu einem Gesamtbild zu sammengesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (7, 9) vorgesehen ist zur Vergrößerung des Blickwinkels ( α ) in bezug zu der Flugrichtung (v).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeilenabtaster (4) eine Eingangsoptik (5) und mehrere parallele, quer zur Flugrichtung (v) angeordnete optoelektronische Zeilensensoren (6 a, 6 b, 6 c) auf weist, daß die Zeilensensoren (6 a, 6 b, 6 c) auf einem Träger (7) in der Bildebene angeordnet sind, und daß für den Träger (7) zu dessen Verschiebung in der Bild ebene ein zyklisch arbeitender Antrieb (9) vorgesehen ist, der innerhalb eines Zyklus zunächst den Träger (7) langsam in Flugrichtung (v) verschiebt und anschließend rasch in die Ausgangsposition zurückführt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebegeschwindigkeit (v _s ) des Trägers (7) zu eingestellt wird, wobei v die Fluggeschwindigkeit des Flugkörpers (2) in bezug zu dem Objekt (1), c die Brenn weite des Zeilenabtasters (4), n die Anzahl der Sensor zeilen und H die Flughöhe des Flugkörpers (2) über dem Objekt (1) darstellen.