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Dokumentenidentifikation DE102005050876B4 18.10.2007
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Kalibration von Hyperspektralinstrumenten sowie ein Hyperspektralinstrument
Anmelder Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 51147 Köln, DE;
GeoForschungszentrum Potsdam, 14473 Potsdam, DE;
Kayser-Threde GmbH, 81379 München, DE
Erfinder Schwarzer, Horst, Dr., 10407 Berlin, DE;
Eckardt, Andreas, Dr., 12524 Berlin, DE;
Kaufmann, Hermann, Prof. Dr., 14057 Berlin, DE;
Hofer, Stefan, Dr., 81545 München, DE
Vertreter Patentanwälte Bressel und Partner, 12489 Berlin
DE-Anmeldedatum 21.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005050876
Offenlegungstag 26.04.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.10.2007
IPC-Hauptklasse G01J 3/28(2006.01)A, F, I, 20051021, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01J 3/06(2006.01)A, L, I, 20051021, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibration von Hyperspektralinstrumenten sowie ein Hyperspektralinstrument.

Hyperspektralinstrumente dienen zur Erfassung einer Vielzahl von spektralen Kanälen, wobei je nach Anwendungsgebiet der Bereich von 200 nm bis ins nahe Infrarot gehen kann. Typischerweise umfassen die Hyperspektralinstrumente Elemente zur spektralen Zerlegung und einen matrixförmigen Hyperspektralsensor. Dabei dient die eine Dimension des Hyperspektralsensors zur Erfassung der unterschiedlichen Wellenlängen und die andere zur Abbildung eines Bildstreifens. Der gesamte Informationsgehalt der Matrix ist somit die volle spektrale Information eines Bildstreifens. Zur Kalibration der Hyperspektralinstrumente ist bereits vorgeschlagen worden, schmalbandige Kalibrationsquellen zu verwenden, die Fraunhofer Linien des Sonnenspektrums oder Absorptionslinien von mit seltenen Erden dotierten Diffusermaterialien verwenden. Alle diese Verfahren basieren auf dem Prinzip, die Position von Absorptions- oder Emissionslinien, die schmaler als eine Pixelbreite in der spektralen Richtung sind, mit Hilfe einzelner Pixel zu bestimmen. Nachteilig an diesem bekannten Verfahren ist es, dass die Position dieser Absorptions- oder Emissionslinien praktisch nur auf ein Pixel genau bestimmt werden kann. Die Breite der Pixel kann jedoch nicht beliebig verkleinert werden, da dann neben den technologischen Grenzen vor allem das Signal-Rausch-Verhältnis zu schlecht wird.

Aus der US 6,111,640 A eine Vorrichtung zur Kalibration eines Hyperspektralinstrumentes bekannt, umfassend mindestens eine Kalibrationsquelle, die ein reproduzierbares, stabiles Spektrum erzeugt, und ein Hyperspektralinstrument, das mindestens einen matrixförmigen Hyperspektralsensor umfasst, wobei eine Dimension die spektralen Informationen eines Bildpunktes erfasst und eine zweite Dimension eine Ortsinformation eines Bildpunktes erfasst.

Aus der EP 1 626 256 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfeinerung der örtlichen Auflösung multispektraler Fernerkundungsdaten bekannt, wobei die örtlichen Teilgebiete eines Multispektralsensors unterschiedlich groß sind.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibration von Hyperspektralinstrumenten sowie ein hierfür geeignetes Hyperspektralinstrument zu schaffen, mittels dessen bei gutem Signal-Rausch-Verhältnis eine hohe Kalibrationsgüte erreichbar ist.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 6 und 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Hierzu ist die Pixelbreite in der Dimension der spektralen Information an Rändern der Matrix schmaler als im mittleren Bereich, wobei anhand der absoluten spektralen Lage von Teilen des Spektrums der Kalibrationsquelle auf den schmalen Pixeln auf die Lage des Spektrums bezogen auf die mittleren Pixel zurückgeschlossen werden kann. Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die Matrix zu unterteilen, wobei der mittlere Bereich für die Nutzinformationen und der oder die Randbereiche für die Kalibration ausgelegt sind. Somit kann die Pixelbreite im mittleren Bereich auf ein ausreichendes SNR-Verhältnis ausgelegt werden, wobei die Pixelbreite in den Randbereichen auf die Genauigkeit der Kalibration abgestimmt wird. Dabei kann das Verhältnis zwischen der Pixelbreite der mittleren Pixel und der Pixel am Rand beispielsweise 3–10:1 betragen. Ein weiterer Vorteil ist, dass nicht Kalibrationsquellen mit scharfen Linien erforderlich sind, da über die Randbereiche ein Teilspektrum hochaufgelöst aufgenommen wird (je nach Pixelbreite der Pixel im Randbereich).

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung zwei Kalibrationsquellen, wobei diese vorzugsweise unterschiedliche Spektren emittieren. Dies vereinfacht die Erzeugung eines Gesamtspektrums, das auf dem linken und rechten Rand der Matrix ein Signal erzeugt, das ausreichend groß ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vor dem Eingang des Hyperspektralinstruments ein einschwenkbarer, diffuser Kalibrationsscreen angeordnet, wobei die Kalibrationsquellen auf den Kalibrationsscreen ausgerichtet sind, so dass die vom Kalibrationsscreen reflektierte Strahlung gestreut in das Hyperspektralinstrument gelangt. Dies ermöglicht eine Anordnung der für die Kalibration notwendigen Elemente derart, dass diese den normalen Betrieb nicht stören, so dass die Kalibration auch in-orbit, d.h. auf dem Satelliten durchgeführt werden kann.

Der Hyperspektralsensor ist vorzugsweise als CCD- oder CMOS-Matrix-Sensor ausgebildet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Kalibration von Hyperspektralinstrumenten und

2 eine schematische Darstellung der Pixel-Verteilung eines matrixförmigen Hyperspektralsensors.

Die Vorrichtung 1 zur Kalibration eines Hyperspektralinstrumentes 2 umfasst zwei Kalibrationsquellen 3, die jeweils ein reproduzierbares, stabiles Spektrum erzeugen, und einen diffusen Kalibrationsscreen 4 mit nachgeordneter Blende 5. Der Kalibrationsscreen 4 ist schwenkbar gelagert und kann zu Kalibrationszwecken in die optische Achse des Hyperspektralinstrumentes 2 geschwenkt werden. Im Betrieb des Hyperspektralinstrumentes 2 ist der Kalibrationsscreen 4 hingegen aus der optischen Achse geschwenkt. Je nach Ausgestaltung kann die Blende 5 ortsfest oder verschwenkbar ausgebildet sein, es muss nur sichergestellt werden, dass während des Kalibrationsvorganges keine zusätzliche Strahlung von einer nicht dargestellten Eingangsoptik auf den Kalibrationsscreen 4 fällt. Vereinfacht ausgedrückt muss bei einer ortsfesten Blende 5 diese bei der Kalibration geschlossen und im Betrieb geöffnet werden. Die beiden Kalibrationsquellen 3 sind nun derart ausgerichtet, dass deren Strahlung auf den Kalibrationsscreen 4 fällt und von dort in das Hyperspektralinstrument 2 fällt. Das Hyperspektralinstrument 2 umfasst mindestens ein Element, das die Strahlung der Kalibrationsquellen ebenso wie die Strahlung im Betrieb spektral zerlegt und auf einen matrixförmigen Hyperspektralsensor 6 abbildet, wobei jeweils ein Bildstreifen spektral zerlegt auf dem Hyperspektralsensor 6 abgebildet wird.

Dieser Hyperspektralsensor 6 ist in 2 schematisch dargestellt. Dabei dient die erste Dimension D1 zur Bilderzeugung und die zweite Dimension D2 enthält die spektrale Information. Dabei sei nachfolgend angenommen, dass von unten nach oben in der 2 die Wellenlänge ansteigt. Wie man nun weiter der 2 entnehmen kann, sind im mittleren Bereich Pixel 7 mit einer Pixelbreite B und ober- und unterhalb Pixel 8 mit einer Pixelbreite b angeordnet, wobei gilt B > b. Das Spektralzerlegeelement ist dabei derart ausgerichtet, dass das interessierende Spektrum auf die Pixel 7 fällt, wo sich aufgrund ihrer Größe ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis einstellen lässt. Die Pixel 8 hingegen dienen primär zur Kalibration.

Zur Erläuterung der Kalibration diene folgendes Beispiel: Der interessierende Spektralbereich sei der sichtbare Bereich von 380–780 nm, wobei dann durch eine Grobeinstellung das Spektrum von 360–800 nm die Pixel 7 überdeckt. Die Kalibrationsquellen erzeugen nun ein Spektrum von 260–1100 nm, wobei die spektrale Verteilung reproduzierbar fest ist. Der Anteil des Spektrums von 800–1100 nm fällt dann auf die oberen Pixel 8 und der Anteil von 360–200 nm auf die unteren Pixel 8. Da nun die spektrale Empfindlichkeit der Pixel 7, 8a priori bekannt ist und auch das Spektrum der Kalibrationsquellen 3, kann nun anhand der Auswertung der Pixel 8 die Lage des Spektrums absolut auf eine Pixelbreite b bestimmt werden. Liegt beispielsweise bei 260 nm ein relatives Maximum vor, so wird dies bei einem bestimmten unteren Pixel 8 wiedergefunden. Durch eine oder mehrere solcher Stellen kann dann eine Interpolation der Verteilung des gesamten Spektrums über alle Pixel 7, 8 vorgenommen werden. Da nun die Breite b der Pixel 8 ein Vielfaches kleiner als die Breite B der Pixel 7 ist, wird entsprechend die Güte der Kalibration besser als ein Pixel bezogen auf die Pixelbreite B der Pixel 7. Dabei ist es klar, dass prinzipiell die Pixel 8 nur an einem Rand vorhanden sein müssen, wobei dann die Interpolation nur aus einer Richtung erfolgt. Eine Interpolation aus zwei Richtungen hat jedoch den Vorteil einer größeren Genauigkeit. Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass die beiden Kalibrationsquellen unterschiedlich emittieren, wobei die eine Kalibrationsquelle primär oberhalb und die andere primär unterhalb der Wellenlängen der interessierenden Nutzstrahlung emittieren. Ist die spektrale Verteilung nahezu linear, so kann die Kalibrationsquelle auch nahezu monochromatisch als LED ausgebildet sein.


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Kalibration eines Hyperspektralinstrumentes, umfassend mindestens eine Kalibrationsquelle, die ein reproduzierbares, stabiles Spektrum erzeugt, und ein Hyperspektralinstrument, das mindestens einen matrixförmigen Hyperspektralsensor umfasst, wobei eine Dimension die spektralen Informationen eines Bildpunktes erfasst und eine zweite Dimension eine Ortsinformation eines Bildpunktes erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixelbreite in der Dimension der spektralen Information an mindestens einem der Ränder der Matrix schmaler als im mittleren Bereich ist, wobei anhand der absoluten spektralen Lage von Teilen des Spektrums der Kalibrationsquelle (3) auf den schmaleren Pixeln (8) auf die Lage des Spektrums bezogen auf die mittleren Pixel (7) zurückgeschlossen werden kann. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zwei Kalibrationsquellen (3) umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrationsquellen (3) unterschiedliche Spektren emittieren. Vorrichtung nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Eingang des Hyperspektralinstrumentes (2) ein einschwenkbarer, diffuser Kalibrationsscreen (4) angeordnet ist, wobei die Kalibrationsquellen (3) auf den Kalibrationsscreen (4) ausgerichtet sind, so dass die vom Kalibrationsscreen (4) reflektierte Strahlung in das Hyperspektralinstrument (2) gelangt. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hyperspektralsensor (6) als CCD- oder CMOS-Matrix ausgebildet ist. Verfahren zur Kalibration eines Hyperspektralinstrumentes mittels einer Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

a) Bestimmen der absoluten spektralen Lage von Teilen des Spektrums der Kalibrationsquelle (3) auf den schmalen Pixeln (8) und

b) Durchführen einer Interpolation der Lage des Spektrums auf den mittleren Pixeln (7) anhand der Ergebnisse von Verfahrensschritt a).
Hyperspektralinstrument, umfassend mindestens einen matrixförmigen Hyperspektralsensor, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixelbreite (b) an mindestens einem der Ränder der spektralen Dimension (D2) schmaler als die Pixelbreite (B) im mittleren Bereich ist.






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