DE19803064C1 - Optisches Aufklärungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System zur Beobachtung mit einer Mehrzahl von Einzelteleskopen, die in ihrer Brennebene jeweils ein Detektorarray aufweisen.

Ein solches optisches System ist aus der US 4713533 be­ kannt.

Aus K. Stahl und G. Miosga, Infrarottechnik, 2. Aufl., Heidelberg: Hüthig 1986, S.n 222-233 sind Fernerkun­ dungssatelliten bekannt, in denen optomechanische Line­ scanner zur Bildgewinnung simultan pixeldeckend in verschiedenen Spektralkanälen Bilder erzeugen.

Aus der US 5581399 ist ein Doppelfernrohr mit Bild­ sensoren bekannt. Einer der Bildsensoren ist ein CCD- Sensor.

Aus der DE 37 31 844 A1 ist eine Vorrichtung zur Abtastung von Geländeoberflächen mit mehr als zwei Teleskopen bekannt. Aus der DE-AS 12 03 010 sind zueinander gekippte Objektive einer Anordnung aus mehreren Teleskopen bekannt.

Bei anderen herkömmlichen Systemen zur optischen Erdbeobachtung wurde soweit es sich um die Beobachtung in einem einzigen Spektralkanal handelte, nur ein einziges Teleskop mit einem Detektorarray in seiner Brenne­ bene verwendet. Zur Steigerung der Leistungsfähigkeit, d. h. der Bodenauflö­ sung, war es erforderlich, Teleskope mit möglichst großer Brennweite und gleichzeitig möglichst großer Apertur zu verwenden, Höhe und Detektorele­ mentgröße als konstant vorausgesetzt.

Die Brennweite ist bekanntlich linear mit der Höhe über Grund sowie der Auflösung verknüpft. Doppelte Auflösung bedingt daher doppelte Brennweite und damit bei gleicher Teleskop-Realisierung doppelte Baulänge. Die Aper­ tur ist über die Beugung linear mit der Auflösung verknüpft. Deshalb muß bei höherer Auflösung auch die Eintrittsapertur des Teleskopes vergrößert wer­ den.

Weiterhin ist die Eintrittsapertur als lichtsammelnde Fläche der Optik bei ge­ gebenem Signal-Rausch-Verhältnis von der Größe des reflektierenden Ge­ lände-Flächenelementes abhängig: wenn die Fläche des Gelände-Flächenele­ meistes halbiert wird, dann muß bei konstantem Signal-Rausch-Verhältnis so­ wie bei konstanter Belichtungszeit die Fläche der Eintrittsapertur verdoppelt werden. Außerdem ist gewöhnlich die verfügbare Belichtungszeit etwa bei einem Satelliten auf niedriger Umlaufbahn wegen der Relativbewegung von etwa 7 km pro Sekunde am Boden proportional zur linearen Abmessung des Gelände-Flächenelementes in Flugrichtung; halbe Länge des Gelände-Flä­ chenelementes in Flugrichtung bedeutet halbe Belichtungszeit. Deshalb muß die Aperturfläche bei konstantem Signal-Rausch-Verhältnis verdoppelt wer­ den, wenn die linearen Abmessungen des Gelände-Flächenelementes halbiert werden soll.

Die Apertur wächst also mit wachsender Auflösung des Teleskopes ebenso wie die Brennweite. Dies vergrößert Volumen und Masse des Teleskopes und erhöht dement­ sprechend die Kosten.

Ausgehend von einem optischen System gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 und 5 liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, dieses System derart weiterzu­ bilden, daß es eine kompaktere und damit kostengünsti­ gere Realisierung bei vergleichbaren Leistungsdaten bietet und sich als Aufklärungssystem zur Beobachtung eines Geländes aus großer Höhe eignet.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 5 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 und 6 angegeben.

Die Erfindung dient zur Beobachtung beispielsweise von einer, geostationären oder einem niedrigfliegenden Satelliten oder auch von einem hochfliegenden Flugzeug aus.

Durch die zunehmende Versetzung der Gelände-Flächenelemente um jeweils einen Bruchteil der Detektorelement-Breite werden aus der Gesamtheit der Detektorarrays der Einzelteleskope jeweils geringfügig unterschiedliche Ge­ samtinformationen erhalten. Die mit Hilfe der Einzelteleskope jeweils gewon­ nenen Bilder haben jeweils einen unterschiedlichen Informationsgehalt, ob­ wohl grundsätzlich der gleiche Geländeausschnitt betrachtet wird. Die Ver­ setzung der Gelände-Flächenelemente in den Fokalebenen der Einzelteleskope kann einmal so erfolgen, daß die Einzelteleskope mit ihren optischen Achsen jeweils geringfügig gegeneinander gekippt werden, oder auch dadurch, daß ohne eine solche Kippung die Detektorarrays selber in den jeweiligen Fokale­ benen bezüglich der jeweiligen optischen Achse in zunehmendem Maße ge­ geneinander versetzt sind. In ersterem Falle liegt also keine Versetzung der Detektorarrays in den Fokalebenen vor, und die erwähnte Ausrichtung erfolgt durch Kippung der optischen Achsen, und im zweiten Falle können die opti­ schen Achsen parallel zueinander ausgerichtet sein.

Im Prinzip ist es gleichgültig, ob die Einzelteleskope im Sinne eines Arrays in Spalten und Zeilen angeordnet sind, ob ihre Zuordnung im Sinne eines hexo­ gonalen Gitters erfolgt, oder ob sie sogar ohne jede regelmäßige Zuordnung angeordnet sind. Wichtig ist lediglich, daß in der Gesamtheit der Einzeltele­ skope mindestens eine Gruppe definiert werden kann, deren Einzelteleskope so ausgerichtet bzw. bezüglich der Anordnung ihrer Detektorarrays so aus­ gebildet sind, daß sie funktional in eine Reihenfolge mit zunehmender Verset­ zung der Gelände-Flächenelemente in einer in der Fokalebene liegenden Richtung gebracht werden können. Bezüglich dieser Richtung läßt sich dann mittels rechnerischer Verfahren eine höhere Auflösung gewinnen, als sie aus dem Bild eines Einzelteleskopes folgen würde. Sind z. B. N Einzelteleskope in der geschilderten Weise in eine Reihenfolge gebracht, so ist es zweckmäßig, ihre Ausrichtung bzw. die Anordnung ihrer Detektorarrays so vorzunehmen, daß die Versetzung der Gelände-Flächenelemente von einem Teleskop zu dem in der Reihenfolge nächsten um einen Bruchteil von gerade 1/N der Breite eines Detektorelementes erfolgt.

Eine Erhöhung der Auflösung in einer zweiten in der Fokalebene gelegenen Richtung, beispielweise orthogonal zu der bereits erwähnten, ersten Richtung, ist dadurch erzielbar, daß sich wiederum mindestens eine weitere Gruppe von Einzelteleskopen definieren läßt, die sich funktional in eine Reihenfolge derart bringen lassen, daß die erwähnten Versetzungen der Gelände-Flächenelemen­ te innerhalb der Reihenfolge in zunehmender Weise in dieser zweiten Rich­ tung erfolgen.

In übersichtlicher Weise läßt sich somit eine besonders einfache Anordnung mit erhöhter Auflösung in zwei zueinander orthogonalen Richtungen dadurch schaffen, daß die Einzelteleskope im Sinne eines Arrays in regelmäßigen Ab­ ständen zueinander in Zeilen und Spalten angeordnet werden. Die zunehmen­ de Versetzung der abgebildeten Gelände-Flächenelemente hat dann einmal in der Spaltenrichtung und zum anderen orthogonal dazu in der Zeilenrichtung zu erfolgen. Dabei kann die Anzahl der Zeilen von derjenigen der Spalten ab­ weichen. Der Bruchteil der Detektorelement-Breite, um den jeweils die Ver­ setzung erfolgt, ist dann richtungsabhängig und beträgt jeweils den reziproken Wert der Anzahl der in der jeweiligen Zeile oder Spalte vorhandenen Tele­ skope. Je höher diese Anzahl, desto geringer ist das jeweilige Ausmaß der Versetzung und desto höher ist die erzielbar Auflösung.

Dies kann bei einem ein Gelände mit merklicher Geschwindigkeit überflie­ genden Instrumententräger (Satellit oder Flugzeug) dahingehend berücksich­ tigt werden, daß in einem deratigen Teleskoparray in der beispielsweise in Flugrichtung sich erstreckenden Spaltenrichtung mehr Teleskope angeordnet sind als in der senkrecht dazu orientierten Zeilenrichtung. Bei einem geosta­ tionären Satelliten hingegen empfiehlt sich ein Teleskoparray, welches in Zeilen- und Spaltenrichtung jeweils gleich viele Einzelteleskope enthält.

Die einfachste, in zwei zueinander orthogonalen Richtungen wirkende Aus­ führung der Erfindung besteht in einem Array von 4 × 4 Einzelteleskopen. Beispielsweise kann ein derartiges Array bei 30 cm Aperturdurchmesser je Einzelteleskop ein einziges größeres Teleskop mit etwa 1 m Aperturdurch­ messer ersetzen. Diese Einzelteleskope brauchen bei einer geforderten Kan­ tenlänge eines quadratischen Gelände-Flächenelementes von 50 cm nur mit einer Fokallänge ausgestattet zu sein, die für eine vierfach verringerte Auflö­ sung dimensioniert ist, nämlich für ein Gelände-Flächenelement von 2 m Kantenlänge.

Es wird also eine wesentlich kleinere Baugröße erzielt, mit kleineren Telesko­ pen kleinerer Apertur. Es brauchen keine Großspiegel-Teleskope verwendet zu werden, sondern es genügen herkömmliche Teleskope mit erheblich klei­ nerer Auflösung. Die Integrationszeiten bezüglich der Detektorarrays verlän­ gern sich, im erwähnten einfachen Ausführungsbeispiel um den Faktor 4. Der Einsatz herkömmlicher Detektorarrays bedingt ein gutes Signal-Rausch-Ver­ hältnis.

Die erhöhte Auflösung wird rechnerisch, entweder an Bord des Flugzeuges oder Satelliten oder nach Übermittlung an eine Bodenstation, mittels quasi­ interferrometrischer Apertursynthese erzeugt. Dabei erfolgt die Überlagerung der Bildinformationen der Einzelteleskope inkohärent auf rechnerischem We­ ge. Dies steht im Gegensatz zu Fourier-optischen Bildrekonstruktionsverfah­ ren, bei denen die optischen Strahlengänge der einzelnen Teleskope phasen- und amplitudenrichtig in einer Fokalebene überlagert werden müssen.

Wie bereits erwähnt, betrachtet jedes Teleskop grundsätzlich die gleiche Bo­ denszene bzw. den gleichen Geländeausschnitt. Aufgrund der geschilderten Versetzung wird der Geländeausschnitt jedoch von den einzelnen Detektor­ elementen der jeweiligen Detektorarrays eines jeden Teleskopes etwas unter­ schiedlich abgetastet.

Durch geeignete Wahl der Größe und des Abstandes der Detektorelemente sowie der Aperturgröße des Teleskopes wird sichergestellt, daß der erwähnte unterschiedliche Informationsgehalt bis zur gewünschten Ortsfrequenz erhal­ ten wird. Ohne diesen Unterschied im Informationsgehalt der Einzelbilder wä­ re eine Erhöhung der Auflösung nicht erreichbar, lediglich das Signal-Rausch- Verhältnis könnte durch inkohärente Überlagerung der Einzelbilder verbessert werden. Um nun diese unterschiedlichen Informationen der Einzelbilder der Teleskope in eine Gesamtinformation überzuführen, werden die Teilbilder entsprechend ihres geometrischen Versatzes inkohärent auf rechnerischem Wege überlagert.

Für die technische Realisierung der Erfindung ist es nicht ausschlaggebend, wie die Teleskope realisiert werden, etwa brechend oder reflektierend; ob ein N × N-Teleskop-Array verwendet wird, welches zeitgleich ein vollständiges Bild aufnimmt, wenn die Fokalebene mit Matrix-Detektorarrays bestückt ist; ob eine eindimensionale Anordnung von Teleskopen verwendet wird, die durch eine Relativbewegung einen zeitlich aufeinanderfolgenden Bildaufbau ermöglichen, beispielsweise vier Teleskope quer zur Flugrichtung; ob matrix­ förmige oder lineare Detektorarrays verwendet werden oder in der Fokalebene eines Teleskopes mehr als zwei lineare Detektorarrays mit einem entsprechen­ den geometrischen Versatz quer zur Flugrichtung angeordnet sind. Im letzte­ ren Fall werden die einzelnen Bilder zeitlich nacheinander, entsprechend dem Versatz der linearen Detektorarrays in Flugrichtung, im Push-Broom-Modus aufgezeichnet, was erhöhten Aufwand an die Stabilität der Anordnung zur Folge hat.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Abbil­ dungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Weise:

Fig. 1 ein 4 × 4-Array von Einzelteleskopen,

Fig. 2 die Anordnung der zugeordneten Detektorarrays in den jeweiligen Fokalebenen der Einzelteleskope der Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt ein optisches Aufklärungssystem der Erfindung, welches im wesentlichen durch eine quadratische Anordnung von 4 × 4 Einzelteleskopen T11 bis T44 mit ihren zugehörigen Detektorarrays 11, 12 usw., welche ebenso wie die Teleskope in einem Array von rechtwinklig zueinander verlaufenden Zeilen und Spalten angeordnet sind, gebildet ist. Die zugehörigen optischen Achsen O11, O12 usw. sind in dem Bereich zwischen den Einzelteleskopen und den zugeordneten Detektorarrays ebenfalls schematisch angedeutet.

Fig. 2 zeigt die in den Fokalebenen der Einzelteleskope T11 usw. gelegenen Detektorarrays 11 usw., von den Einzelteleskopen her gesehen. Die Auftreff­ punkte der optischen Achsen O11 usw. auf die jeweiligen Detektorarrays sind ebenfalls gezeigt. Sie liegen in den Kreuzungspunkten eines orthogonalen Netzes von Zeilen Z1 bis Z4 sowie Spalten S1 bis S4, welches die strukturelle Anordnung des Teleskoparrays charakterisiert. Bei einigen Detektorarrays, beispielsweise im Detektorarray 41, ist die Aufteilung der Detektoroberfläche in 8 × 8 einzelne Detektorelemente wiedergegeben. Diese Detektorelemente sind quadratisch ausgebildet und haben jeweils die Breite d. Im Falle des De­ tektorarrays 41 liegt der Auftreffpunkt der optischen Achse O41 genau in der Mitte, so daß sich zu den Rändern der mit Detektorelementen belegten Fläche des Detektorarrays 41 hin jeweils ein Abstand von 4d ergibt. Die schraffierte Region um das Zentrum des Detektorarrays 41 herum symbolisiert in zwei Dimensionen insgesamt vier abgebildete Gelände-Flächenelemente, deren Ausmaße am Boden unter Einbeziehung der Teleskop-Brennweite sowie der Flughöhe über Grund durch die Größe der jeweiligen Detektorelemente be­ stimmt sind.

Vom Detektorarray 41 ausgehend, ist in Richtung der Zeile Z4 zum Detektor­ element 44 hin eine Verschiebung bzw. Versetzung der Detektorarrays be­ züglich der jeweiligen optischen Achsen zu bemerken, und zwar jeweils um ¹/₄ der Detektorelement-Breite d. Eine entsprechende Versetzung ist auch in Richtung der Spalte S1 zum Detektorelement 11 hin vorhanden. Die zuneh­ menden Versetzungen in Spalten- und. Zeilenrichtung sind auch anhand der Zeile Z2 sowie der Spalte S3 detaillierter dargestellt. Es zeigt sich, daß die vier jeweils um die optischen Achsen herum abgebildeten Gelände-Flächen­ elemente, welche beim Detektorarray 41 noch mit den vier zentralen Detek­ torelementen zusammenfallen, durch die Versetzungen zunehmend auf mehr als vier Detektorelemente verteilt werden, und zwar vom Detektorelement 41 in Zeilen- oder Spaltenrichtung ausgehend, zunächst auf sechs einander be­ nachbarte Detektorelemente, von der Zeile Z3 und der Spalte S2 zu niedrige­ ren Zeilen- bzw. höheren Spaltennummern hin jedoch sogar auf insgesamt jeweils neun Detektorelemente. Dabei erfolgt die genaue flächenmäßige Auf­ teilung eines jeweils abgebildeten Gelände-Flächenelementes, ausgehend von der Definition am Beispiel des Detektorarrays 41, auf beteiligte Detektorele­ mente bei jedem einzelnen Detektorarray auf unterschiedliche Weise. Jedes einzelne der beim Detektorarray 41 beispielhafte abgebildeten vier Gelände- Flächenelemente, zentriert um die optische Achse O41, wird so in den je­ weils drei übrigen Detektorarrays der Spalte 51 bzw. der Zeile Z4 auf je zwei benachbarten Detektorelementen abgebildet, und zwar mit jeweils veränderli­ chen Flächenanteilen. Auf den übrigen neun Detektroarrays wird jedes dieser vier Gelände-Flächenelemente unter Beteiligung von jeweils vier Detektore­ lementen bei ebenfalls unterschiedlichen Flächenanteilen abgebildet.

Claims (6)

1. Optisches System zur Beobachtung mit einer Mehrzahl von Einzeltele­ skopen, die in ihrer Brennebene jeweils ein Detektorarray aufweisen, da­ durch gekennzeichnet, daß die optische Achsen (O11, O12, O13, ...) der Ein­ zelteleskope (T11 bis T44) bezüglich einer parallelen Anordnung gegenein­ ander kippbar sind und daß das optische System ein Aufklärungssystem zur Beobachtung eines Geländes aus großer Höhe ist.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelteleskope (T11 bis T44) quer zu ihren optischen Achsen (O11, O12, ...) in einer Reihe oder in parallelen Reihen nebeneinander angeordnet sind.

3. Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Einzelteleskope (T11 bis T44) innerhalb einer Reihe jeweils in der­ selben Richtung um zunehmende Winkelinkremente kippbar sind.

4. Optisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß quer zu den Reihen einander benachbarte Einzelteleskope zusätzlich jeweils in Querrichtung um zunehmende Winkelinkremente kippbar sind.

5. Optisches System zur Beobachtung mit einer Mehrzahl von Einzeltele­ skopen, die in ihrer Brennebene jeweils ein Detektorarray aufweisen, da­ durch gekennzeichnet, daß die optischen Achsen (O11, O12, ...) der Ein­ zelteleskope (T41 bis T44) parallel zueinander ausgerichtet sind, daß die Ein­ zelteleskope (T11 bis T44) quer zu ihren optischen Achsen in einer Reihe oder in parallelen Reihen nebeneinander angeordnet sind, daß die Detektor­ arrays (11, 12, ...) einander in der jeweiligen Reihe benachbarter Einzeltele­ skope in Reihenrichtung um einen solchen Bruchteil einer Detektorbreite ge­ geneinander versetzt angeordnet sind, welcher umgekehrt proportional zur Mehrzahl der in der betreffenden Reihe vorhandenen Einzelteleskope ist, und daß das optische System ein Aufklärungssystem zur Beobachtung eines Gre­ ländes aus großer Höhe ist.

6. Optisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein mehrerer Reihen die Detektorarrays (11, 12, ...) quer zur Reihenrichtung einander benachbarter Einzelteleskope (T11 bis T44) um ei­ nen solchen Bruchteil einer Detektorbreite quer zur Reihenrichtung gegen­ einander versetzt angeordnet sind, welcher umgekehrt proportional zur Mehr­ zahl der quer zur Reihenrichtung einander benachbarter Einzelteleskope ist.