DE3517671A1

DE3517671A1 - Vorrichtung zum bildpunktweisen erfassen der oberflaechengestalt eines entfernten objektes

Info

Publication number: DE3517671A1
Application number: DE19853517671
Authority: DE
Inventors: Otto Dr.-Ing. 8011 Kirchstockach Hofmann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: LFK Lenkflugkoerpersysteme GmbH
Priority date: 1985-05-15
Filing date: 1985-05-15
Publication date: 1986-11-20
Also published as: FR2582112A1; DE3517671C2; US4747574A; FR2582112B1

Description

du I /671 Jf 19.04.1985, 0457A

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Vorrichtung zum bildpunktweisen Erfassen der Oberflächengestalt eines entfernten Objektes

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum bildpunktweisen Erfassen der Oberflächengestalt eines entfernten Objektes unter Verwendung mindestens eines, sich relativ zur Objektoberfläche fortbewegenden optomechanischen Abtasters, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus Bildmessung und Luftbildwesen, 51 (1983), Heft 3, Seiten 103 bis 117, bekannt, wo es um die Aufnahme der Erdoberfläche von Flugzeugen oder Satelliten aus geht. Dort ist auf Seite 112 ff ein optisch-mechanischer Abtaster beschrieben, der im wesentlichen aus einer Optik, einem in deren Bildebene angeordneten Strahlungsdetektor sowie einem objektseitig vor der Optik befindlichen drehbaren optischen Element, nämlich einem mit seiner Drehachse parallel zur Flugrichtung und mit seiner Spiegelfläche schräg dazu orientierten Schwenkspiegel besteht. Der Strahlungsdetektor ist auf der bildseitigen optischen Achse der Optik angeordnet, und seine Blickrichtung setzt sich objektseitig zunächst in dieser optischen Achse bis zur Spiegelfläche des Schwenkspiegels fort. Letzterer wird durch einen Motor in Rotation versetzt, so daß die Blickrichtung des Strahlungsdetektors in periodisch sich wiederholender Weise quer zur Flugrichtung geschwenkt wird. Dies hat zur Folge, daß Flächenelemente der Erdoberfläche in aufeinanderfolgenden Abtastspuren auf dem Strahlungsdetektor nacheinander abgebildet werden, welcher so die entsprechenden Strahlungswerte messen kann. Mit einer derartigen Vorrichtung ist es nicht möglich, die Oberflächengestalt

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eines entfernten Objektes, hier der Erdoberfläche, in ihrer dreidimensionalen Form zu erfassen.

Eine solche räumliche Erfassung ist jedoch mit Vorrichtungen und Verfahren möglich, die in den DE-PSen 29 40 841 und 30 43 577 sowie in der DE-OS 32 19 beschrieben sind. Diese Vorrichtungen ermöglichen es, mit einer Dreizeilen-Abtastkamera ein Objekt, z.B. einen Geländeabschnitt, abzutasten, die dreidimensionaie Objektgestalt zu erfassen und die Orientierungsparameter der Kamera (Position und Neigungswinkel) längs der Relativbewegung zwischen Abtaster und Objekt zu bestimmen.

Für die Abtastung sind dort hochauflösende, zellenförmige Halbleitersensoren vorgesehen, die in einer Sensorzeile jeweils eine Vielzahl von einzelnen Strahlungsdetektoren enthalten, (in der Regel sogenannte CCD-Sensoren), so daß jeweils mit einem Zeilentakt bzw. Integrationsintervall gleichzeitig die gesamte Zeile nach dem sogenannten "Push-broom-Prinzip" abgetastet wird. Dabei sind drei quer zur Flugrichtung angeordnete, lineare Halbleitersensoren vorgesehen. Die entsprechende Vorrichtung sowie das dazugehörige Auswerteverfahren werden in der Literatur und nachfolgend als DPS-Verfahren bezeichnet (DPS = Digitales Photogrammetrie-System).

Das DPS-Auswerteverfahren ist prinzipiell z.B. in ³^ Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, Vol.

50, No. 8, August 1984, Seiten 1135 bis 1142 beschrieben. Es beruht auf der Abtastung eines Objektes mit einem Dreizeilen-Abtaster, bei dem in der Bildebene einer Kamera in einem gewissen Abstand voneinander quer zur Flugrichtung drei lineare Sensorzeilen angeordnet

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sind, die das Objekt aus unterschiedlichen Blickwinkeln zeilenweise abtasten und somit drei Bildstreifen unterschiedlicher Perspektive erzeugen. Bei der Auswertung werden in diesen drei Bildstreifen zunächst durch Korrelation homologe Bildpunkte, d.h. die drei einander entsprechenden Bildpunkte des jeweils selben Objektpunktes, deren Bildkoordinaten sowie die jeweils zugeordneten drei Aufnahmezeitpunkte ermittelt, worauf durch einen analytischen Auswerteprozeß die Ermittlung der Orientierungsparameter der Kamera längs des Flugweges sowie der räumlichen Objektkoordinaten der korrelierten Bildpunkte möglich wird.

Das DPS-System, insbesondere dessen Auswerteverfahren, zeichnet sich dadurch aus, daß die in der Bildebene der Kamera angeordneten drei Sensorzeilen mit dem Objektiv als Zentralpunkt und der jeweiligen Abtastspur im Gelände (Objekt) zum Taktzeitpunkt t der Zeilenabtastung, die gleichzeitig die Bildpunkte der drei ganzen Zeilen erfaßt, je eine ebene Zentralperspektive bilden. Diese ebene Zentralperspektive liegt dem Auswerteverfahren des DPS-Systems als Voraussetzung zugrunde. Es war daher bisher nicht anzunehmen, daß dieses Auswerteverfahren auch weiterhin anwendbar ist, sobald die Voraussetzung der ebenen Zentralperspektive nicht mehr erfüllt ist.

Die beim DPS-System verwendeten CCD-Sensoren sind üblicherweise im Spektralbereich von 0,4 μπι bis 1 μπι empfindlich. Die Herstellung derartiger Sensoren für andere Wellenlängen, etwa für den Infrarot-Bereich oder gar für Mikrowellen, stößt auf erhebliche technische Schwierigkeiten oder ist unmöglich. Wegen des begrenzten Spektralbereiches dieser CCD-Sensoren ist daher das DPS-Verfahren in seiner Anwendung praktisch

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auf den Wellenlängenbereich von 0,4 um bis 1 μΐη begrenzt. Eine räumliche Erfassung der Objektoberfläche war daher bisher auch nur in diesem Wellenlängenbereich möglich. Für andere Spektralbereiche, vor allem den IR-Bereich, kamen die oben erwähnten optischmechanischen Abtaster zur Anwendung, mit denen jedoch eine räumliche Erfassung der Objektoberfläche nicht erreichbar ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, die unter Anwendung optisch-mechanischer Abtaster eine genaue räumliche Erfassung der Oberflächengestalt entfernter Objekte ermöglicht, so daß auch für CCD-Sensoren nicht zugängliche Wellenlängenbereiche für die dreidimensionale Erfassung erschlossen werden können.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Vorrichtung folgende Elemente enthält:

Einen oder mehrere opto-mechanische Abtaster, mit dessen oder deren Hilfe mindestens drei Folgen von Abtastspuren jeweils unterschiedlicher Perspektive erzeugbar sind, wobei außer einer Folge von mittleren Abtastspuren mindestens je eine Folge vorderer und hinterer Abtastspuren mit gegenüber der Folge mittlerer Abtastspuren bezüglich der Richtung der Relativbewegung vorausschauender bzw. zurückblickender Perspektive auftreten,

je einen Winkelstellungsgeber für jedes der drehbaren optischen Elemente zur Messung von deren kontinuierlich veränderlichen Drehwinkeln, sowie

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eine Einrichtung zur synchronen, in vorgebbaren Zeitintervallen erfolgenden Registrierung der von den Winkelstellungsgebern gelieferten momentanen Drehwinkel α sowie der von den Strahlungsdetektoren gemeseenen Strahlungswerte s der Flächenelemente der Objektoberfläche und des jeweils dazugehörigen Zeitpunktes t.

Mit einer derartigen Vorrichtung, bei der nunmehr unter Anwendung optisch-mechanischer Abtaster von der Objektoberfläche drei Bildstreifen, entsprechend dreier Folgen von Abtastspuren unterschiedlicher Perspektive, aufgenommen werden, wird es möglich, das vom DPS-System her bekannte Auswerteverfahren anzuwenden. Dies ist der Fall, obwohl die bei Dreizeilen-CCD-Kameras vorhandene ebene Zentralperspektive bei optisch-mechanischen Abtastern nicht mehr vorhanden ist. Vielmehr werden hier die Bildpunkte einer Abtastspur nicht gleichzeitig, sondern zeitlich nacheinander erfaßt, da anstelle einer Sensorzeile nur ein Strahlungsdetektor vorhanden ist und die Flächenelemente einer Abtastspur aufgrund der mechanischen Drehbewegung des drehbaren optischen Elementes nacheinander auf dem Strahlungsdetektor abgebildet werden. Die auf der Objektoberfläche entstehende Abtastspur ist wegen der Vorwärtsbewegung des den Abtaster tragenden Fluggerätes auch dann keine Gerade

»mehr, wenn die Objektoberfläche völlig eben ist, vielmehr ergibt sich in diesem Falle als Abtastspur eine leicht s-förmig geschwungene Linie. Die Abtastspur, der Strahlungsdetektor sowie dessen Objektiv liegen also nicht mehr in einer Ebene, d.h. die dem DPS-Auswerteverfahren als Voraussetzung zugrundeliegende ebene Zentralperspektive geht bei Anwendung optisch-mechanischer Abtaster verloren.

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Wesentlich dafür, daß dieses Auswerteverfahren bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung trotzdem anwendbar wird, ist die Forderung, daß die von den Winkelstellungsgebern gemssenen Drehwinkel der zugeordneten drehbaren optischen Elemente, beispielsweise einem Schwenkspiegel oder Drehprisma, die von den Strahlungsdetektoren gemessenen Strahlungswerte sowie die dazugehörigen Zeitpunkte in einem vorgebbaren zeitlichen Rhythmus synchron als für jeden Bildpunkt zusammengehörige Wertegruppe registriert werden, und zwar für alle (mindestens) drei Folgen von Abtastspuren jeweils unterschiedlicher Perspektive, überraschenderweise ist es prinzipiell belanglos, auf welchen Flächen die objektseitigen Blickrichtungen der Strahlungsdetektoren durch die drehbaren optischen Elemente bewegt werden, wichtig ist allein, daß die räumliche Blickrichtung in Bezug auf das dem optisch-mechanischen Abtaster zuzuordnende Kamera-Koordinatensystem zu jedem Zeitpunkt ermittelbar ist. Im weiteren Laufe der Auswertung ist es zweckmäßig, die momentane Blickrichtung, die zunächst aus dem gemessenen Drehwinkel α folgt, in Bezug auf das Kamera-Koordinatensystem in fiktive Bildkoordinaten umzurechnen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Hinsichtlich der Anzahl der zu verwendenden Abtaster sowie der ihnen jeweils zugeordneten Objektive sowie Strahlungsdetektoren und drehbaren optischen Elemente sind im Rahmen der Erfindung mehrere Variationsmöglichkeiten gegeben. Eine einfache Möglichkeit besteht beispielsweise darin, einen Abtaster mit einem drehbaren optischen Element, beispielsweise einem Drehprisma mit parallel zur Richtung der Relativbewegung orientierter

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Drehachse, vorzusehen, wobei diesem einen drehbaren optischen Element drei Objektive mit je einem Strahlungsdetektor mit jeweils unterschiedlich gerichteter optischer Achse und damit unterschiedlicher Perspektive zugeordnet sind. Es ist auch möglich, drei oder mehr Abtaster jeweils unterschiedlicher Perspektive bzw. optischer Achse zu verwenden, wobei jeder einzelne Abtaster ein drehbares optisches Element, beispielsweise ein Drehprisma, mit je einem zugeordneten Objektiv sowie Strahlungsdetektor aufweist. In allen beiden vorgenannten Fällen werden durch die jeweils drei optischen Systeme, jeweils aus Objektiv und Strahlungsdetektor bestehend, drei Folgen von Abtastspuren unterschiedlicher Perspektive gleichzeitig aufgenommen. Im Gegensatz dazu ist es auch möglich, mit nur einem derartigen optischen System und nur einem zugeordneten drehbaren optischen Element auszukommen, wobei jeweils immer nur eine Abtastspur aufgenommen wird und je drei direkt aufeinanderfolgende Abtastspuren jeweils eine unterschiedliche Perspektive aufweisen. Das drehbare optische Element führt demnach in periodischer Wiederholung Drehbewegungen aus, die infolge der besonderen Ausbildung des drehbaren optischen Elementes in periodischer zeitlicher Folge nacheinander drei verschiedene Perspektiven (Blickrichtungen, konvergente Abtaststrahlrichtungen) erzeugen. Zu diesem Zwecke kann ein drehbares Spiegelprisma verwendet werden, dessen Drehachse parallel zur Richtung der Relativbewegung orientiert ist und das 3 oder 3n (n > 1, ganz) äußere Spiegelflächen aufweist, wobei von je drei aufeinanderfolgenden Spiegelflächen die Flächennormale der jeweils mittleren Spiegelfläche senkrecht zur Drehachse orientiert ist und die Flächennormalen der beiden anderen Spiegelflächen in je entgegengesetztem Sinne bezüglich der Drehachse geneigt sind.

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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Abbildungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Weise:

Fig.la einen Abtaster gemäß der Erfindung mit einem Drehprisma sowie je drei Objektiven und Strahlungsdetektoren in Seitenansicht,

Fig.Ib den Abtaster gemäß Fig.la im Schnitt senkrecht zur Drehachse,

Fig.Ic die vom Abtaster der Figuren la, Ib erzeugten Abtastspuren im ebenen Gelände,

Fig.2 ein Diagramm über die Zuordnung der die unterschiedlichen Perspektiven bzw. Blickrichtungen der Strahlungsdetektoren wiedergebenden Konvergenzwinkel zu entsprechenden fiktiven Bildkoordinaten,

Fig.3 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig.4a einen weiteren Abtaster mit einem Spiegelprisma und einem Objektiv sowie Strahlungsdetektor, in Richtung der Drehachse gesehen,

Fig.4b den Abtaster der Fig.4a in Seitenansicht sowie

Fig.4c die Abtastspuren des Abtasters der Figuren 4a, 4b im ebenen Gelände.

Gemäß der Erfindung müssen es die verwendeten Abtaster entweder durch ihre Anzahl oder durch ihre besondere Ausbildung ermöglichen, mindestens und vorzugsweise

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drei Folgen von Abtastspuren unterschiedlicher Perspektive aufzunehmen. Hierzu sind beim Abtaster gemäß Fig.la ein im Querschnitt quadratisches, vierteiliges Drehprisma 2 sowie drei diesem zugeordnete optische Systeme, jeweils aus einem Objektiv O_A, O_ß, O_c und einem Strahlungsdetektor A, B, C bestehend, vorgesehen. Die Blickrichtung der drei Strahlungsdetektoren A, B, C sind zunächst durch die optischen Achsen der zugeordneten Objektive O , O_, O , auf denen die Strahlungsdetektoren jeweils in der Bildebene liegen, gegeben. Diese Blickrichtungen sind in der Fig.la sowie im folgenden durch die sogenannten Konvergenzrichtungen γ , γ sowie γ-, bezeichnet. Diese sind bezogen auf das Kamera-Koordinatensystem.

Das Drehprisma 2 ist mit seiner Drehachse l in Richtung der Relativbewegung zwischen Abtaster und Objektoberfläche, also praktisch in Flugrichtung des den Abtaster tragenden Fluggerätes, orientiert. Das Drehprisma 2 wird durch einen angeschlossenen Motor 3 in gleichmäßige Rotation versetzt, wobei der jeweilige Drehwinkel α der Motorwelle bzw. des Drehprismas 2 durch einen nachgeschalteten Winkelstellungsgeber 4 gemessen wird.

Aus Fig.Ib, welche den Abtaster der Fig.la als Schnitt durch das mittlere optische System, bestehend aus Strahlungsdetektor B sowie Objektiv O_, zeigt, wird deutlich, wie die Blickrichtung des Strahlungsdetektors B objektseitig durch das rotierende Drehprisma 2 quer zur Richtung der Drehachse 1 gechwenkt wird. Das vierteilige Drehprisma 2 bewirkt pro Umdrehung eine viermalige Ablenkung der Blickrichtung des Strahlungsdetektors B (ebenso der beiden anderen Strahlungsdetektoren

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A, C), wobei vier hintereinanderliegende Abtastspuren durchlaufen werden. Die Ablenkung ß der Blickrichtung der Strahlungsdetektoren ist dabei infolge der Spiegelwirkung im Drehprisma jeweils doppelt so groß wie der zugeordnete Drehwinkel α des Drehprismas 2. Die objektseitige Blickrichtung γ· des Strahlungsdetektors B wird also pro Abtastspur zwischen den Anfangsund Endwerten γ' , sowie γ' „ geschwenkt. Die

Da Oc

Funktion und Wirkungsweise eines vierteiligen Drehprismas ist z.B. in der DE-OS 21 21 918 beschrieben.

Infolge der Vorwärtsbewegung des den Abtaster tragenden Fluggerätes entsteht als Abtastspur B des Strahlungsdetektors B auf der (hier der Einfachheit halber als eben angenommenen) Objektoberfläche keine Gerade, sonderen eine leicht etwa s-förmig geschwungene Linie. Die auf dieser Linie liegenden Flächenelemente B*(t) werden zeitlich nacheinander auf dem Strahlungsdetektor B abgebildet, so daß die entsprechenden Strahlungswerte registriert werden können. Die Abtastspuren der bezüglich der Flugrichtung (siehe Pfeil) vorausschauenden bzw. zurückblickenden Strahlungsdetektoren A bzw. C sind ebenfalls in Fig.Ic dargestellt (A bzw. C ).

S S

Die diesen Strahlungsdetektoren A, C zugeordneten objektseitigen Blickrichtungen werden durch die Drehung des Drehprismas 2 auf Kegelmänteln geschwenkt, wobei sich auf der (ebenen) Objektoberfläche annähernd hyperbolische Abtastspuren A bzw. C ergeben (die

S S

gestrichelt gezeichneten Kurven sollen streng hyperbolischen Verlauf haben).

Jeder Winkelstellung α des Drehprismas 2 bzw. jedem Zeitpunkt t sind drei eindeutige, räumliche Richtungen γ' , γ' sowie γ· zugeordnet, die den im

ve

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objektseitigen Strahlengang hinter dem Drehprisma 2 jeweils vorliegenden momentanen Blickrichtungen der drei Strahlungsdetektoren A, B, C entsprechen. Diese räumlichen Richtungen können jeweils durch zwei Winkelkomponenten φ· und ω* , φ· und ω' sowie φ· und ω' (beisp. als Drehungen um die x- und y-Achse der Fig.2) in Bezug auf ein kamerafestes Koordinatensystem ausgedrückt werden. Die drei Richtungen Ύ'_Α» γ· , γ' bzw. ihre Winkelkomponenten können als Funktionen F und G der konstanten Konvergenzwinkel γ_Α, γ , γ der Objektive O , O_, O_c sowie des mit der Rotation des Drehprismas 2 zeitlich veränderlichen Drehwinkels α angesehen werden. Diese Funktionen können zweckmäßig empirisch durch Kalibrierungsmessungen, z.B.

mit einem Drehtisch oder Theodoliten, direkt gemessen oder auch theoretisch abgeleitet werden:

φ·_Α = f_a (α,

ω'_Α = G_A (α, γ_Α)

φ'_Β = F_B (α, γ_Β) (1) ^ωΈ = ^GB <^α' Ύβ)

<p'_c = F_c (α,

Mit Hilfe einer fiktiven Kammerkonstante c. können aus diesen Winkelkomponentenpaaren der zeitlich veränderlichen Blickrichtungen der drei Strahlungsdetek-

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toren A, B, C zugeordnete fiktive Bildkoordinaten in einem allen drei Objektiven gemeinsamen Bildkoordinatensystem berechnet werden. Die Kammerkonstante c. ist in der Photogrammetrie üblicherweise eine rein rechnerische, beliebig wählbare Brennweite eines Objektives, die nicht identisch mit der optisch-physikalischen Brennweite zu sein braucht (siehe z.B. Schwidetsky, Ackermann, "Photogrammetrie, Grundlagen, Verfahren, Anwendungen", Stuttgart 1976, Seite 54).

Im Falle der drei Objektive O_a, O_, O der Fig.la

r\ D Vrf

werden gemäß Fig.2 die drei den objektseitigen momentanen Blickrichtungen γ' , Ύ'^,» Ύ¹,-, entsprechenden Strahlen durch ein gemeinsames, fiktives Projektionszentrum O„ gelegt. Dann werden in einer im Abstand der beliebig wählbaren Kammerkonstanten c. angeordneten fiktiven Bildebene E die Bildkoordinaten-

¹A'

y_A sowie x_ß, y_ß und

y_c als

Durchstoßpunkte dieser fiktiven Strahlen durch die Bildebene gewonnen. Das Kamera-Koordinatensystem kann dabei in Bezug auf die realen Bauteile des Abtasters so gelegt werden, daß das fiktive Projektionszentrum O_p mit dem Schnittpunkt der objektseitigen Verlängerungen der beiden optischen Achsen der Objektive O_Ä sowie O zusammenfällt und die fiktive Bildebene im beliebigen Abstand c. über diesem fiktiven Projektionszentrum O„ und normal zur optischen Achse des mitt-

leren Objektives O₁₃ orientiert ist. Die Bildpunkte χ , y usw. liegen im unteren der beiden Diagramme der Fig.2 nicht auf einer Geraden parallel zur x-Achse, da hier zu verschiedenen Zeitpunkten t₁, t₂, t

und mit je unterschiedlicher Perspektive aufgenommene Bildpunkte desselben Objektpunktes dargestellt sind,

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und zwar bei unterschiedlichen Kameraneigungen (Orientierungsparametern) .

Die erwähnten Bildkoordinatenpaare x, y können allgemein als Funktionen F und F der Winkelkomponen-

x y

ten φ¹ und ω' sowie der Kammerkonstanten c. aus-

gedrückt werden:

χ = F_x(c_k,(p',co') = F'_x(c_k,a,Y)

y = F (σ^,φ',ω¹) = F¹ (ο^,α,γ)

(2)

Die Bildkoordinatenpaare x, y sind somit Funktionen der gewählten fiktiven Kammerkonstanten c. , des Schwenkwinkeis α und der festen Konvergenzwinkel γ der den Objektiven 0-, O_ß, O_c zugeordneten bildseitigen optischen Achsen, wobei neben den festen Größen c. sowie γ der Drehwinkel a(t) die einzige veränderliche Größe bildet.

Gemäß der Erfindung müssen nun in einem vorgebbaren zeitlichen Rhythmus die zu den aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t gehörigen, von den Strahlungsdetektoren A, B, C gemessenen Strahlungswerte s zusammen mit den entsprechenden Drehwinkeln α sowie ggfs. den den Zeitpunkten t entsprechenden Bildpunkt-Nummern N laufend ermittelt und registriert werden. Gemäß (2) lassen sich daraus die Bildkoordinatenpaare x, y berechnen. Diese werden bei der weiteren Auswertung gemäß dem Verfahren des DPS-Systems benötigt.

In Fig.3 ist das Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, die Verarbeitung der Meßgrößen, nämlich der Strahlungswerte s sowie Drehwinkel α, betreffend, dargestellt. Drei Strahlungsdetektoren 11,

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21, 31, welche den Strahlungsdetektoren A, B, C der Fig.la entsprechen, und welche die einfallende elektromagnetische Strahlungsintensität in elektrische Spannungen entsprechender Amplitude umwandeln, geben ihre elektrischen Ausgangssignale über nachgeschaltete Verstärker 12, 22, 32 an Haltestufen (Sample and Hold) 13, 23, 33 ab. Diese werden von einem Takt- und Zeitgeber her über Verbindungsleitungen 16, 26, 36 mit Synchronisationsimpulsen vorwählbaren Abstandes angesteuert.

Diese Synchronisationsimpulse bestimmen die Zeitpunkte t, zu welchen die gemessenen Strahlungswerte s sowie Drehwinkel α zu registrieren sind. Die Ausgangssignale der Haltestufen 13, 23, 33 werden Analog-Digital-Wandlern 14, 24, 34 zugeführt, dort digitalisiert und in nachgeschalteten Strahlungswertregistern 15, 25, 35 gespeichert.

Synchron hierzu werden die Drehwinkel α des oder der drehbaren optischen Elemente, beispielsweise Drehprismen, von einem Winkelstellungsgeber 4 gemessen und ggfs. in einer Winkelanzeige 9 elektronisch dargestellt. Der Takt- und Zeitgeber 5 öffnet mit den periodischen Synchronisationsimpulsen UND-Gatter 8, an deren anderen Eingängen die dem momentanen Drehwinkel α entsprechenden Signale anliegen (in Figur 3 symbolisiert das eine UND-Gatter die UND-Gatter sämtlicher paralleler Leitungen, oder das Signal wird über ein UND-Gatter seriell übertragen). Diese Werte für die Drehwinkel α werden dann im Rhythmus der Synchronimpulse des Zeitgebers 5 in ein dem UND-Glied 8 nachgeschaltetes Winkelstellungsregister 6 eingelesen.

Der Takt- und Zeitgeber 5 addiert intern in einem Zeitzähler und ggfs. in einem Bildpunkt-Nummern-Zähler die Taktimpulse fortlaufend auf. Zum Synchronisationszeit-

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punkt t werden die Augenblickswerte des Zeit- und Bildpunkt-Nummern-Zählers über eine Leitung 20 in das Zeitpunkt- und Punkt-Nummern-Register 7 übertragen.

Als Massenspeichereinrichtung 10 ist beispielsweise ein Magnetbandrecorder vorgesehen. Dieser übernimmt über Datenleitungen (seriell oder parallel) 39, 40, 18, 28, 38 die in den Registern gespeicherten, einander zugeordneten und synchronen Daten: Den Drehwinkel α, den Zeitpunkt t, ggfs. die Bildpunkt-Nummer N und die drei Strahlungswerte s. Der jeweilige Zeitpunkt dieser Übernahme wird vom Zeitgeber 5 über eine Steuerleitung 30 sowie Verbindungsleitungen 29, 19, 17, 27, 37, welche entsprechende Impulse an die Register übertragen, gesteuert.

Bei der anschließenden Auswertung lassen sich dann gemäß (2) aus dem registrierten Drehwinkel α jeweils die fiktiven Bildkoordinaten x, y zu den zugeordneten Strahlungswerten s des Zeitpunktes t bzw. der Bildpunkt-Nummer N berechnen. Diese Koordinatenpaare x, y der drei Kanäle (Strahlungsdetektoren 11, 21, 31 bzw. A, B, C) und der zugeordnete Aufnahme-Zeitpunkt t bilden die Grundlage für die weitere Auswertung.

Fig.4a zeigt eine weitere Ausführungsform eines Abtasters gemäß der Erfindung, welche als einziges drehbares optisches Element ein Spiegelprisma 41 enthält, dem wiederum ein einziges optisches System, bestehend aus einem Objektiv 42 sowie einem Strahlungsdetektor 43, zugeordnet ist. Die Drehachse 44 des Spiegelprismas 41 ist in Flugrichtung orientiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besitzt das Spiegelprisma 41 insgesamt sechs ebene äußere Spiegelflächen 45 bis 50. Je drei aufeinanderfolgende Spiegelflächen 45, 46, 47 sowie 48,

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49, 50 bilden zwei jeweils zusammengehörige Dreiergruppen. Die Flächennormale der jeweils mittleren Spiegelflächen 46 sowie 49 sind senkrecht zur Drehachse 44 orientiert, die Flächennormalen der übrigen vier Spiegelflächen sind gegenüber dieser Drehachse geneigt, und zwar jene der Spiegelflächen 45 sowie 48 bezüglich der Zeichenebene nach hinten und jene der Spiegelflächen und 50 gegenüber der Zeichenfläche nach vorn. Hieraus ergeben sich pro Dreiergruppe bei rotierendem Spiegelprisma 41 insgesamt drei verschiedene Perspektiven, welche hier allerdings zeitlich aufeinanderfolgen. Es werden also nicht gleichzeitig mehrere Abtastspuren durchlaufen, sondern immer nur eine einer bestimmten Perspektiv-Richtung, worauf bei Eintritt der nächstfolgenden Spiegelfläche in den Strahlengang jeweils die nächste Abtastspur mit geänderter Perspektiv-Richtung in zyklischer Weise folgt. Wenn das Spiegelprisma 41 mit ausreichender Drehgeschwindigkeit rotiert, kann erreicht werden, daß sich die Abtastspuren der einer bestimmten Perspektive zugeordneten Folge auf der Objektoberfläche lückenlos berühren bzw. in geringem Maße seitlich überlappen, so daß die Geländeoberfläche aus allen drei Perspektiv-Richtungen jeweils in lückenloser Folge abgetastet und damit drei sich überdeckende Bildstreifen unterschiedlicher Perspektive entstehen. Es können auch Spiegelprismen verwendet werden, die mehr als zwei Dreiergruppen von ebenen äußeren Spiegelflächen aufweisen (n Dreiergruppen, η > 2, ganz).

In Fig.4b ist eine Seitenansicht des in Fig.4a gezeigten Abtasters dargestellt, und zwar senkrecht zur Drehachse 44 von der Seite des Objektivs 42 her gesehen. Das in Fig.4b gestrichelt angedeutete Objektiv 42 ist vor der Zeichenebene liegend zu denken. Das Spiegel-

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prisma 41 wird auch hier von einem Motor 3 in Rotation versetzt, und der jeweilige Drehwinkel α wird von einem Winkelstellungsgeber 4 gemessen. Es sind wieder deutlich die drei Perspektiven, nämlich die in Flugrichtung vorausschauende Ύ'_Α# die nach unten blickende γ'_β sowie die zurückblickende y'_c zu unterscheiden. Die entsprechenden Blickrichtungen des Strahlungsdetektors 43 werden dann noch, wie in Fig.4a für den Fall der nach unten blickenden Perspektive γ· dargestellt, durch Rotation des Spiegelprismas 41 quer zur Flugrichtung geschwenkt. In Bezug auf den sich in Flugrichtung bewegenden Abtaster wird die der Perspektive γ' entsprechende Blickrichtung in einer normal zur Flugrichtung stehenden Ebene geschwenkt, die beiden anderen Blickrichtungen γ' sowie γ' auf Kegelmänteln. Die entsprechenden Abtastspuren sind in Fig.4c dargestellt, und zwar analog zur Fig.Ic für den einfachen Fall einer ebenen Geländeoberfläche. Bemerkenswert ist hier noch, daß die drei Abtastspuren A , B und C nicht gleichzeitig,

RS S

sondern nacheinander durchlaufen werden, so daß die drei in der Fig.4c gekennzeichneten momentanen Blickrichtungen A'(t ), B'(t_B) und C'(t_c) zu verschiedenen Zeitpunkten t_ft, t_ß und t_c vorliegen. 25

Das Blockschaltbild gemäß Fig.3 erfährt in Anwendung auf den Abtaster der Figuren 4a, 4b eine Vereinfachung derart, daß nur noch ein Strahlungsdetektor 43 sowie je ein nachgeschalteter Verstärker, Haltestufe, Analog-Digital Wandler und Strahlungswertregister benötigt werden. Der Schwenkwinkel α des Spiegelprismas 41, gemessen durch den Winkelstellungsgeber 4, zeigt eindeutig an, welche der Spiegelflächen 45 bis 50 sich gerade vor dem Objektiv 42 befindet, und welche der

³^ drei Perspektiven demnach gerade vorliegt. Für die

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1 Kalibrierung der Kamera, die Ermittlung der Bildkoordinaten und die anschließende Auswertung gilt analog das bereits oben Ausgeführte.

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9727 Patentabteilung Vorrichtung zum bildpunktweisen Erfassen der Oberflächengestalt eines entfernten Objektes Patentansprüche

1. Vorrichtung zum bildpunktweisen Erfassen der Oberflächengestalt eines entfernten Objektes unter Verwendung mindestens eines, sich relativ zur Objektoberfläche fortbewegenden opto-mechanischen Abtasters, welcher mindestens ein Objektiv mit in dessen Bildebene angeordnetem Strahlungsdetektor sowie mindestens ein objektseitig vor dem oder den Objektiven angeordnetes, die Blickrichtung des Strahlungsdetektors quer zur Richtung der Relativbewegung zwischen Abtaster und Objekt in periodischer Weise schwenkendes, drehbares optisches Element aufweist, wodurch die Flächenelemente der Objektoberfläche in Form einer Vielzahl aufeinanderfolgender, aus der periodischen Schwenkbewegung sich ergebender Abtastspuren zeitlich nacheinander auf dem Detektor abgebildet werden, gekennzeichnet durch

einen oder mehrere Abtaster, mit dessen oder deren Hilfe mindestens drei Folgen von Abtastspuren (As, Bs, Cs) jeweils unterschiedlicher Perspektive erzeugbar sind, wobei außer einer Folge von mittleren Abtastspuren (Bs) mindestens je eine Folge vorderer (As) und hinterer Abtastspuren (Cs) mit gegenüber der Folge mittlerer Abtastspuren (Bs) bezüglich der Richtung der Relativbewegung vorausschauender bzw. zurückblickender Perspektive auftreten,

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9727 Patentabteilung

je einen Winkelstellungsgeber 4 für jedes der drehbaren optischen Elemente (2, 41) zur Messung von deren kontinuierlich veränderlichen Drehwinkeln (α), sowie

eine Einrichtung zur synchronen, in vorgebbaren Zeitintervallen erfolgenden Registrierung der von den Winkelstellungsgebern (4) gelieferten momentanen Drehwinkel α sowie der von den Strahlungsdetektoren (A, 6, C, 11, 21, 31, 43) gemessenen Strahlungewerte ε der Flächenelemente der Objektoberfläche und des jeweils dazugehörigen Zeitpunktes t.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur syn- chronen Registrierung für jeden der Strahlungsdetektoren (11, 21, 31) je eine nachgeschaltete Haltestufe (13, 23, 33), einen Analog-Digital-Wandler (14, 24, 34) und ein Strahlungswertregister (15, 25, 35) sowie für jeden Winkelstellungsgeber (4) einen Winkelstellungszähler (9) und ein Winkelstellungsregister (6) enthält, welches eingangsseitig über ein UND-Glied (8) mit dem Winkelstellungszähler (9) verbunden ist, wobei das UND-Glied (8) im Rhythmus der vorgebbaren Zeitintervalle durchschalt- und sperrbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur synchronen Registrierung einen Taktund Zeitgeber (5), von diesem aus Synchronisationsimpulse zu den Haltestufen (13, 23, 33) und den UND-Gliedern (8) übertragende Verbindungsleitungen (16, 26, 36) sowie eine weitere, die den Synchronisationsimpulsen jeweils entsprechenden Zeitpunkte t in ein Zeitpunktregister (7) übertragende Leitung (20) enthält.

Patentabteilung

19.04.1985, 0457A El/hl 9727

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem Taktund Zeitgeber (5) einerseits und den Winkelstellungsregistern (6), dem Zeitpunktregister (7) und den Strahlungswertregistern (15, 25, 35) andererseits weitere Verbindungsleitungen (29, 19, 17, 27, 37) vorhanden sind, über welche Impulse zur Auslösung der Übernahme der in den Registern (6, 7, 15, 25, 35) gespeicherten Daten in ein Speichergerät (10) geleitet werden, welches mit den Ausgängen der Register (6, 7, 15, 25, 35) über Datenleitungen (39, 40, 18, 28, 38) sowie mit dem Taktund Zeitgeber (5) über eine Steuerleitung (30) verbunden ist.

5. vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

gekennzeichnet durch einen Abtaster mit einem drehbaren optischen Element (2) und drei diesem zugeordneten Objektiven (O_A, O_ß, O_c) sowie Strahlungsdetektoren (A, B, C) mit jeweils unterschiedlicher Perspektive.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das drehbare optische Element (2) ein zweioder vierteiliges Drehprisma mit parallel zur Richtung der Relativbewegung orientierter Drehachse (1) ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mindestens drei Abtaster jeweils unterschiedlicher Perspektive, die jeweils ein drehbares optisches Element mit je einem zugeordneten Objektiv sowie Strahlungsdetektor aufweisen.

9727 Patentabteilung

19.04.1985, 0457A

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Abtaster, der ein drehbares optisches Element (41) mit einem zugeordneten Objektiv (42) sowie Strahlungsdetektor (43) aufweist, wobei das drehbare optische Element (41) in periodischer Wiederholung nacheinander Schwenkbewegungen unterschiedlicher Perspektive ausführt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e kennzeichnet, daß das drehbare optische Element (41) ein Spiegelprisma ist, dessen Drehachse (44) parallel zur Richtung der Relativbewegung orientiert ist, und das 3 oder 3n (n > 1, ganz) äußere Spiegelflächen (45,..., 50) aufweist, wobei von je drei aufeinanderfolgenden Spiegelflächen (45, 46, 47; 48, 49, 50) die Flächennormale der jeweils mittleren Spiegelfläche (46; 49) senkrecht zur Drehachse (44) orientiert ist und die Flächennormalen der beiden anderen Spiegelflächen (45, 47; 48, 50) in je entgegengesetztem sinne bezüglich der Drehachse geneigt sind.