DE19830036C2

DE19830036C2 - Vorrichtung zur geometrisch hochauflösenden Bildaufnahme auf einem Mikrosatelliten und zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE19830036C2
Application number: DE19830036A
Authority: DE
Inventors: Rainer Sandau; Klaus Bries; Martin Scheele; Ingo Walter
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 2000-09-07
Anticipated expiration: 2018-06-27
Also published as: US6433815B1; FR2780522B1; FR2780522A1; DE19830036A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (3) zur geometrisch hochauflösenden Bildaufnahme auf einem Mikrosatelliten, umfassend ein Objektiv (4) und eine Fokalebene (7), auf der ein flächenhafter optischer Detektor (6) angebracht ist, wobei das Objektiv (4) und die Fokalebene (7) starr am Mikrosatelliten befestigt sind und zwischen Objektiv (4) und Fokalebene (7) eine Zwischenoptik angeordnet ist, die mittels einer Stell- und Rückstelleinrichtung bewegbar ist, wobei über eine gesteuerte Gegenbewegung der Zwischenoptik durch die Stelleinrichtung die Relativbewegung einer aufzunehmenden Szene aufgrund der Eigenbewegung des Mikrosatelliten derart kompensierbar ist, daß die Energieeinwirkdauer auf den optischen Detektor für jedes Bildelement auf eine Integrationszeit T¶int¶ > T¶dwell¶ unter Vermeidung einer Bodenpixelverschmierung größer als eins verlängerbar ist, wobei t¶dwell¶ die Zeit zwischen der Erfassung eines ersten und eines zweiten Bodenpixelelementes durch ein Bildelement des Detektors darstellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur geometrisch hoch auflösenden Bildaufnahme auf einem Mikrosatelliten.

Zur Erzielung hoher geometrischer Auflösung bei gleichzeitig großer Schwad breite werden bei Satellitenanwendungen CCD-Zeilensensoren in den Kamera systemen eingesetzt. Im Zuge der Erhöhung der geometrischen Auflösung bei gegebener Orbithöhe muß die Abnahme der auf ein Bildelement auftreffenden Energie in Kauf genommen werden. Um bei Erhöhung der Kamerabrennweite und gleichzeitiger Verringerung des Pixel-Sichtfeldes den sich verringernden Energiebetrag am Detektor zu kompensieren, bieten sich zwei Lösungsmög lichkeiten an:

1. Vergrößerung der Öffnung des Objektivs
2. Verlängerung der Intergrationszeit.

Die bei der Vergrößerung der Brennweite notwendige lineare Vergrößerung des Objektivdurchmessers wird begleitet durch ein kubisches Anwachsen von Masse und Volumen des Objektivs. Die Verkürzung der Intergrationszeit bei Verringerung der Bodenpixelgröße resultiert in einer weitern Vergrößerung des Objektivdurchmessers. Diese erste Lösungsmöglichkeit kommt für Mikrosatelli tenanwendung nicht in Frage, da diese nur eine sehr gering Masse aufweisen dürfen.

Die Intergrationszeit t_int wird bei im Push-broom-Modus arbeitenden CCD-Zei lenkameras kleiner oder höchstens gleich der Zeit t_dwell gewählt, die zur Ver schiebung der Projektion eines CCD-Bildelements auf die Erdoberfläche um eine Pixelabmessung benötigt wird t_int ≦ t_dwell, d. h. Bodenpixelverschmierung ≦ 1 Pixel. Reicht die zum CCD-Element gelangende Strahlungsenergie bei einer gegebenen Objektiv-Filter-Anordnung nicht aus, ein bestimmtes Signal- Rausch-Verhältnis zu erzielen, muß durch Hinzunehmen weiterer, parallel zur ersten CCD-Zeile angeordneten CCD-Zeilen die Bodenspurprojektion der CCD- Zeilen in Flugrichtung vergrößert werden. Die Erhöhung des Signal-Rausch- Verhältnisses kann bei starrer Anordnung Satellitenplattform-Objektiv-Fokal ebene über das TDI-Prinzip (Time Delay and Integration; Riichi Nagura: SN Improvement Ratio by Time Delay and Integration for High-Resolution Earth Observatorium System. Electronics and Communication in Japan, Part 1, Vol. 78, 1995, No. 3, pp 74-84) erreicht werden. Bei dem TDI-Prinzip mit n CCD- Zeilen wird die Satellitenbewegung und dadurch bedingte Verschmierung der Bodenspur kompensiert durch die n-fache Abtastung einer Zeilenprojektion auf die Erdoberfläche und anschließender Akkumulation der um jeweils eine t_dwell verschobenen n Zeileninformation. Zur Erreichung dieses Effektes sind die n- fachen Datenraten von der Detektoranordnung zu verarbeiten und zu verdich ten. Der dafür benötigte Aufwand für die elektronischen Schaltungen und die benötigte elektrische Energie lassen Anwendungen auf Mikrosatelliten nicht zu.

Aus der DE 195 02 045 ist eine Vorrichtung zur geometrisch hochauflösenden Bildaufnahme auf Satelliten bekannt, in denen die Kameraplattform mittels ei ner Nachführung entgegengesetzt zum Geschwindigkeitsvektor des Satelliten bzw. die Fokalebene mittels piezoelektrischer Stellantriebe derart nachgeführt werden, daß der Verschmierungseffekt von der Satellitenbewegung während der n-fachen Zeit t_dwell kompensiert wird. Die durch die Bewegung der Massen, nämlich der Plattform und der Kamera bzw. der Fokalebene mit den Elektronik komponenten zur CCD-Ansteuerung und -Auslesung, den Komponenten zur thermischen Stabilisierung, sowie der dazu benötigten Verkabelung, generier ten mechanischen Impulse sind bei der geringen Eigenmasse des Mikrosatelli ten nicht zu vernachlässigen und wirken einer hohen geometrischen Auflösung entgegen, so daß auf derartige Kompensationsmaßnahmen für Anwendungen auf einem Mikrosatelliten nicht zurückgegriffen werden kann.

Aus der DE-OS 22 51 913 ist eine optische Abtastvorrichtung für eine Mehrzeilen-Abtastung ohne zusätzliche Einrichtungen, mit einem sich drehen den Brechungsprisma in Form eines polygonalen Körpers mit einer geraden Anzahl einander gegenüberliegender, parallel verlaufender Flächen, mit opti schen Einrichtungen zum Zuführen der Strahlung eines Blickfeldes an das Bre chungsprisma, mit Detektoreinrichtungen zur Aufnahme der von dem Bre chungsprisma durchgelassenen Strahlung und zur Ausbildung eines Signals entsprechend der Intensität der Strahlung und mit Einrichtungen zum Drehen des Brechungsprismas um eine zu der optischen Achse der optischen Einrich tung senkrechten Drehachse bekannt, wobei jedes Paar der einander gegen überliegenden, parallel verlaufenden Flächen des polygonalen Körpers unter einem verschiedenen Winkel zu der Drehachse geneigt ist, um dadurch eine Abtastung des Blickfeldes in Form einer Anzahl seitlich versetzter Zeilen zu erhalten, deren Anzahl der Flächenzahl auf dem polygonalen Körper entspricht. Somit kann mittels eines ortsfesten Punktdetektors ein Bild aufgenommen wer den.

Aus der GB 2 272 778 A ist eine optische Vorrichtung zur Luftaufklärung aus schnellfliegenden Flugzeugen bekannt, die zwei Kameras aufweist. Die eine Kamera mit einem Teleobjektiv dient zur Groborientierung des Piloten, was er mit einer zweiten hochauflösenden Kamera aufnehmen kann. Die beiden Ka meras weisen jeweils in einer Fokalebene angeordnete flächenhafte optische Detektoren auf. Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnis wird vorge schlagen, die hochauflösende Kamera mit einem Lichtverstärker auszubilden. Des weiteren ist ein Umlenkelement vor der Kamera angeordnet, mittels des sen der "elevation angle" veränderbar ist, um die Breite des aufzunehmenden Bodensegments zu vergrößern.

Aus der DE-OS 17 72 429 ist ein photographisches Aufnahmeverfahren sowie eine Kamera bekannt, die eine variable Brennweite des optischen Systems erlaubt.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur geometrisch hochauflösenden Bildaufnahme auf einem Mikrosatelliten zu schaffen.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Merkmale der Pa tentansprüche 1 und 9. Durch die starre Anordnung von Objektiv und Fokal ebene, zwischen denen eine mittels einer Stell- und Rückstelleinrichtung be wegbare Zwischenoptik angeordnet ist, wird die Energieeinwirkdauer auf den optischen Detektor für jedes Bildelement verlängert, wobei die Bildelemente nach der vollständigen Nachführung einfach abgetastet werden. Aufgrund der im Verhältnis zu Objektiv und Fokalebene geringen Masse der Zwischenoptik sind die generierten mechanischen Impulse vernachlässigbar, während sich der Aufwand für die Datenverarbeitung aufgrund der einfachen Abtastung im Gegensatz zum TDI-Verfahren nicht vergrößert. Weitere vorteilhafte Ausgestal tungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Zwischenoptik eine Strahl umlenkeinrichtung, so daß die Fokalebene weitgehend unabhängig vom Objektiv angeordnet werden kann, was einen kompakten Aufbau des Mikrosa telliten ermöglicht. Die Strahlumlenkeinrichtung kann beispielsweise aus licht leitenden Fasern oder Prismen bestehen, vorzugsweise wird diese jedoch aus mindestens einem Spiegel gebildet.

In einer weiteren Ausführungsform umfaßt die Zwischenoptik eine optische Bildfeldanpassung, die zwischen der Strahlumlenkeinrichtung und der Fokal ebene angeordnet ist und beispielsweise als Sammellinse ausgebildet ist. Zur Realisierung der Nachführbewegung wird dann entweder die Spiegelanordnung oder die Bildfeldanpassung beweglich ausgebildet, um die Eigenbewegung des Mikrosatelliten auszugleichen.

Der flächenhafte optische Detektor ist beispielsweise als CCD-Matrix ausge bildet. Da jedoch CCD-Matrizen sehr kostspielig sind, wird der flächenhafte optische Detektor vorzugsweise durch n lückenlos zueinander angeordnete CCD-Zeilen gebildet.

Die Stell- und Rückstelleinrichtung ist beispielsweise als piezoelektrischer Ak tuator oder als Schrittmotor ausgebildet, denen gegebenenfalls eine Rückstell feder zugeordnet werden kann, um die Zwischenoptik schneller wieder in die Ausgangsposition zu bewegen. Vorzugsweise jedoch wird die Zwischenoptik zumindestens teilweise mit der Stell- und Rückstelleinrichtung integriert. Dazu wird der Spiegel und die Stell- und Rückstelleinrichtung mittels geeigneter se lektiver Ätzprozesse als integrierter, rotierbarer Mikrospiegel mit zugeordneten Aktuatoren hergestellt. Der Vorteil dieser mittels der Mikrosystemtechnik her gestellten Komponenten ist deren sehr geringes Volumen und Gewicht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbei spieles näher erläutert. Die Figur zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Aufnahme nach dem Pushbroom-Verfahren (Stand der Technik)

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Aufnahme mit einer n-fachen Energieeinwirkdauer und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur geometrisch hochauflösenden Bildaufnahme auf einem Mikrosatelliten.

In der Fig. 1 sind schematisch die Verhältnisse bei der Bildaufnahme auf einem Satelliten oder Flugzeug nach dem Pushbroom-Verfahren dargestellt, wobei sich der Satellit oder das Flugzeug mit einer Geschwindigkeit v über die Be obachtungsfläche, beispielsweise die Erdoberfläche hinwegbewegt. Dabei sieht ein Bildelement 1 des optischen Detektors der beispielsweise als CCD-Zeile ausgebildet ist, ein bestimmtes Bodenpixelelement 2 zu einem Zeitpunkt t₁. Zum Zeitpunkt t₂ mit t_dwell = t_S - t₁ ist das Bildelement 1 um ein Bodenpixelelement 2 verschoben. Aufgrund der Forderung, daß die Bodenpixelverschmierung ≦ 1 Pixel sein soll, kann nur innerhalb der Zeit t_int ≦ t_dwell integriert werden.

In der Fig. 2 sind schematisch die Verhältnisse nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für eine Verdreifachung der Intergrationszeit t_int dargestellt. Die Vor richtung 3 zur geometrisch hochauflösenden Bildaufnahme auf einem Mikrosa telliten umfaßt ein Objektiv 4, einen verstellbaren Spiegel 5 und einen opti schen Detektor 6. Der optische Detektor 6 wird dabei vorzugsweise durch drei lückenlos zueinander angeordnete CCD-Zeilen gebildet. Zum Zeitpunkt t₁ ist der Spiegel 5 durch eine nicht dargestellte Stell- und Rückstelleinrichtung der art ausgerichtet, daß die von den eine Szene bildenden Bodenpixeln 2 kom mende Strahlung vollständig auf dem optischen Detektor 6 abgebildet wird. Zum Zeitpunkt t₂, wo die Vorrichtung 3 sich um ein Bodenpixel 2 weiterbewegt hat, ist der Spiegel 5 derart verschwenkt worden, daß wieder der optische De tektor 6 vollständig ausgeleuchtet wird, wobei die Schwenkbewegung vorzugs weise kontinuierlich der Bewegung folgt. Zum Zeitpunkt t₃ hat die Vorrichtung 3 sich um ein weiteres Bodenpixel weiterbewegt und der Spiegel 5 ist wiederum derart weitergeschwenkt, daß wieder der optische Detektor 6 von der von den drei Bodenpixeln kommenden Strahlung voll ausgeleuchtet wird. Die mögliche Intergrationszeit t_int hat sich dadurch verdreifacht. Am Ende des Zeitpunktes t₃ wird dann der optische Detektor 6 einfach abgetastet und die Sensorpixel au gelesen. Über die Rückstelleinrichtung wird dann der Spiegel 5 in seine Aus gangsposition zurückgestellt und die nächste Aufnahme einer unmittelbar an schließenden Szene kann vorgenommen werden. Anschaulich werden also n hintereinanderliegende, zeilenförmige Szenenelemente zu einer Szene zusam mengefaßt und gleichzeitig auf die Fokalebene 7 projiziert. Die Relativbewe gung der Szenenelemente aufgrund der Eigenbewegung des Mikrosatelliten wird dann durch die gesteuerte Gegenbewegung der Zwischenoptik kompen siert.

In der Fig. 3 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung 3 dargestellt. Auf einer Fokalebene 7 ist der optische Detektor 6 angeordnet, der durch n lückenlos zueinander angeordnete CCD-Zeilen gebildet wird, von de nen der Übersicht halber nur die beiden äußeren dargestellt sind. Zwischen dem Spiegel 5 und der Fokalebene 7 ist eine als Sammellinse ausgebildete Bildfeldanpassung 8 angeordnet, die senkrecht zur optischen Achse verschieb bar ausgebildet ist. Über eine Front-End-Elektronik 9 wird dann der optische Detektor 6 nach erfolgter Aufnahme einer Szene ausgelesen und durch einen nachgeschalteten A/D-Wandler 10 digitalisiert. Die digitalisierten Bilddaten wer den dann in einem Massenspeicher 11 abgespeichert und gegebenenfalls zu einer Bodenstation gesendet. Weil die Energie am optischen Detektor 6 umge kehrt proportional dem Quadrat des Öffnungsverhältnisses Brennweite/Objek tivdurchmesser ist, kann der Objektivdurchmesser um maximal die Quadrat wurzel aus n verkleinert werden.

Nachfolgendes Rechenbeispiel dient zur weiteren Erläuterung der Erfindung:

Satellitenhöhe: H = 500 km
Abtastabstand der CCD-Elemente: δ = 7 µm
Brennweite: f = 1 m

Bei Einsatz einer beugungsbegrenzten Optik gilt nach der Abtasttheorie nä herungsweise

δ_max ≦ f/D . λ/2.

Für den Abtastabstand δ = 7 µm darf bei einer Brennweite f = 1 m der Durch messer der Objektivapertur zu D = 36 mm gewählt werden.

Die Bodenpixelgröße X beträgt bei dieser Konfiguration X = 3,5 m und die Zeit t_dwell = 0,5 ms.

Wird zur Aussteuerung einer konkreten CCD in einer Kamera im panchromati schen Bereich z. B.

λ = 0,5 µm . . . 0,75 µm ein Öffnungsverhältnis F/D = 4

benötigt (ent spricht D = 250 mm),
so würde aus

D = 36 mm, f = 1 m, f/D ≈ 28 und mit dem Signal s ~ (D/f)²

etwa eine Integrationszeitverlängerung von 50 resultieren. Es müßten also n = 50 CCD-Zeilen parallel in der Fokalebene angeordnet werden.

Der A/D-Wandler müßte bei
k = 12000 Detektorelementen je CCD-Zeile für eine Abtastrate von DR_CCD = DR_ADW = K/t_dwell = 24 MSamples/s
ausgelegt werden.

Das Kamerasystem würde den Massenspeicher entsprechend mit 24 MPixel/s füllen. Bei einer Wortbreite von 8 bit ergäbe sich ein quadratisches Bild 12000 × 12000 Pixel ein Datenvolumen von 144 MByte ≈ 1,2 Gbit, das in einer Zeit t_quadrat = 6 s generiert wird.

Claims

1. Vorrichtung zur geometrisch hochauflösenden Bildaufnahme auf einem Mikrosatelliten, umfassend ein Objektiv und eine Fokalebene, auf der ein flächenhafter optischer Detektor angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (4) und die Fokalebene (7) starr am Mikrosatelliten befestigt sind und zwischen Objektiv (4) und Fokalebene (7) eine Zwischenoptik angeordnet ist, die mittels einer Stell- und Rückstelleinrichtung beweg bar ist, wobei über eine gesteuerte Gegenbewegung der Zwischenoptik durch die Stelleinrichtung die Relativbewegung einer aufzunehmenden Szene aufgrund der Eigenbewegung des Mikrosatelliten derart kompen sierbar ist, daß die Energieeinwirkdauer auf den optischen Detektor (6) für jedes Bildelement auf eine Integrationszeit t_int < t_dwell unter Vermeidung einer Bodenpixelverschmie rung größer als eins verlängerbar ist, wobei t_dwell die Zeit zwischen der Erfassung eines ersten und eines zweiten Bodenpixelelementes durch ein Bildelement des Detektors (6) darstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwi schenoptik eine Strahlumlenkeinrichtung umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahl umlenkeinrichtung aus mindestens einem Spiegel (5) besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwi schenoptik eine optische Bildfeldanpassung (8) umfaßt, die zwischen der Spiegelanordnung (5) und der Fokalebene (7) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel anordnung (5) und/oder die optische Bildfeldanpassung (8) durch die Stell- und Rückstelleinrichtung bewegbar sind, wobei die optische Bild feldanpassung (8) senkrecht zur optischen Achse der Fokalebene (7) bewegbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß der flächenhafte optische Detektor (6) aus einer An zahl von CCD-Zeilen gebildet ist, die auf der Fokalebene (7) lückenlos zueinander angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Stell- und Rückstelleinrichtung als piezoelektri scher Aktuator oder als Schrittmotor ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeich net, daß der Spiegel als integrierter Mikrospiegel mit integrierter Stell- und Rückstelleinrichtung ausgebildet ist.

9. Verfahren zur geometrisch hochauflösenden Bildaufnahme auf einem Mikrosatelliten mittels einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine periodische Steuerung der Stell- und Rückstelleinrichtung die damit in Wirkverbindung stehende Zwischenoptik derart nachgeführt wird, daß die Energieein wirkdauer auf den optischen Detektor (6) für jedes Bildelement auf eine Integrationszeit t_int < t_dwell unter Vermeidung einer Bodenpixelverschmierung größer als eins verlängert wird, wobei t_dwell die Zeit zwischen der Erfassung eines ersten und eines zweiten Bodenpixelelementes durch ein Bildelement des Detektors (6) darstellt, und der opti sche Detektor (6) nach Rückstellung der Zwischenoptik einfach ausgele sen und abgetastet wird.