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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Abbildungssystem, und insbesondere auf ein Abbildungssystem
zum Nachweis und zur Klassifizierung von Gegenständen oder Gasen, unter Benutzung
einer spektralen Strahldichte.
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Kameras, und zwar sowohl herkömmliche Fernsehkameras
als auch Infrarotkameras, beruhen im typischen Fall auf der Erzeugung
von Bildern, die von der empfangenen Intensität der Strahldichte abhängen. Jedoch
kann zusätzlich
zur Intensität
ein Punkt im Objektraum auch durch seine spektrale Strahldichte
und Polarisation charakterisiert sein.
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Es gibt eine Anzahl von Vorrichtungen,
die den Nachweis spektraler Strahldichte ermöglichen. Ein Beispiel hierfür sind Anordnungen
mit dotierten Fokalebenen großen
Maßstabs
(FPA). FPA's können in
verschiedener Weise dotiert werden, wodurch das spektrale Ansprechen
einzelner Pixel verbessert und bei der Herstellung fixiert wird.
Typische Spalten von Detektorelementen sind so dotiert, daß sie ein
identisches und definiertes spektrales Schmalband-Ansprechen aufweisen. Über die
volle Breite des Feldes sind verschiedene Gruppen von Spalten vorgesehen, um
das interessierende Wellenband zu überdecken. Derartige Vorrichtungen
können
so hergestellt werden, daß die
Mikrowellenbänder
drei bis fünf
und acht bis zwölf
umfaßt
werden. Die Detektoranordnung arbeitet als eine Gruppe langer linearer
Felder und es erfolgt eine Abtastung über das Bild, um auf allen
relevanten Unterbändern
Daten zu sammeln, um ein vollständiges
Bild zu erzeugen. Dies liefert einen Ausgang, der eine Gruppe von
Bildern bei jeder Wellenlänge
der Unterbänder
ist. Ein Nachteil des obigen Systems besteht darin, daß eine mechanische
Abtastvorrichtung erforderlich ist, die kostspielig ist und eine
beträchtliche
Energiezufuhr erfordert, und außerdem
ergibt sich ein Problem im Hinblick auf die Betriebssicherheit und
es ist ein Gehäuse
mit genügenden
Abmessungen erforderlich, um den Abtastmechanismus aufzunehmen,
und all dies ist bei zahlreichen Anwendungen, insbesondere bei militärischen
Anwendungen, unerwünscht.
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Eine zweite Gruppe von Abbildungssystemen,
durch die ein Bild basierend auf spektraler Strahldichte erzeugt
werden kann, benutzt ein Filterrad, das direkt vor der Brennebene
oder einer Breitbandkamera angeordnet ist. Das Filterrad enthält mehrere
Filter, die jeweils einen schmalen Durchlaßbereich aufweisen, und diese
Filter werden nacheinander vor einen Detektor geschaltet, um eine
Reihe getrennter Bilder für
jedes Unterband zu erzeugen. Die Benutzung eines drehenden Filterrades
ist jedoch nicht zweckmäßig und
auch dieses System der Abbildung kann verschiedene Zyklen des Filterrads erfordern,
um eine Integration stattfinden zu lassen, weil die Integrationszeit
für jedes
Unterband kurz ist damit eine vollständige Gruppe von Unterbändern in einem
kurzen Zeitabschnitt abgetastet werden kann, der kompatibel ist,
mit dem CCIR Fernsehformat (Bildrate 25 Hz). In Verbindung mit zehn
oder zwölf Unterbändern ist
das Zeitintervall zwischen getrennten Unterbänder-Proben im typischen Fall
0,5 Sekunden lang und festgelegt. Das Zeitintervall zwischen getrennten
Proben im Unterband ist ebenso lang und festgelegt, und der Vorteil
hiervon besteht darin, daß das
Fehlen einer Flexibilität
Unterbänder
verhindert, in denen „Kontrast-" oder Ziel-Diskriminierungen
festgestellt wurden, die häufiger
revisitiert werden.
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Eine dritte Gruppe von Abbildungssystemen bei
Satelliten-Anwendungen benutzt eine interferometrische Technik,
die für
spezifische Wellenlängen optimiert
ist und einer Anzahl von bestimmten Grenzbedingungen unterworfen
ist, die sich auf die Arbeitsweise im Raum beziehen, wo keine Vibrationsumgebung
vorhanden ist, die eine Mißausrichtung
(außer beim
Start) verursacht, und wobei keine atmosphärische Abschwächung innerhalb
des Instruments erfolgt und das Interferometer nur abgetastet wird, wenn
ein Bereich von Wellenlängen überprüft wird und
sonst ist das Interferometer fest oder abgestimmt.
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Die EP-A-0 767 361 beschreibt ein
Abbildungs-Spektrometer, das ein Interferometer aufweist, dessen
Ausgang auf einem Detektor fällt,
fokussiert wird, um die spektrale Intensität eines jeden Pixels der Szene
zu bestimmen. Der Ausgang des Interferometers besteht aus moduliertem
Licht, entsprechend einer vorbestimmten Gruppe von linearen Kombinationen
der spektralen Intensität
des von jedem Pixel der Szene emittierten Lichts. Die US-A-5 528
368 beschreibt ein Abbildungssystem mit einem Interferometer und
einer Kamera.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist ein Abbildungssystem vorgesehen, wie dies in Anspruch 1 gekennzeichnet
ist.
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Durch Benutzung der vorliegenden
Erfindung können
die spektrale Strahldichte, die Wellenlängen der Photonen, die vom
Abbildungssystem empfangen werden, genau mit einer Auflösung bestimmt
werden, die durch die Länge
der Interferometer-Arme bestimmt ist, aber auf einen vernünftigen Wert
durch typische Abmessungen für
eine geeignete militärische
Flugzeugausrüstung
gerichtet sind. Dies kann Grenzen zwischen den zu detektierenden Objekten
verursachen, was unter Benutzung herkömmlicher Breitband-Techniken nicht möglich wäre. Die
erlangten Daten können
auch benutzt werden, um ein Material oder ein Gas hinsichtlich seiner
ihm eigenen spektralen Sirahldichte-Charakteristik zu identifizieren, so
daß Materialien,
die von besonderem Interesse für
einen Beobachter für
die folgenden Verarbeitungstechniken sind, festgelegt werden können.
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Vorzugsweise führt der Prozessor eine Fourier-Transformation
durch, um die spektrale Strahldichte eines jeden Pixel zu erfassen
und die spektrale Strahldichte mehrerer Pixel wird vorzugsweise gleichzeitig
bestimmt. Dies kann benutzt werden, um ein Echtzeitbild zu erzeugen
und vorzugsweise umfaßt
das System weiter einen Bildgenerator, der ein Bild erzeugt, in
dem die Grauskala von der spektralen Strahldichte eines jeden Pixels
abhängt.
Das Grauwertbild kann durch bekannte Techniken verbessert werden,
bevor es als Farbbild dargestellt wird.
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Wenn das vom Raumobjekt empfangene
Signal schwach ist, dann tastet das Interferometer vorzugsweise
mehrmals ab, um die spektrale Strahldichte der festzustellenden
Pixel zu erzeugen, je nach Anwendung kann es erwünscht sein, eine ungleichförmige Abtastung
in den Zeitdomänen
mit dem Interferometer durchzuführen,
um Teile des Unterbands von speziellem Interesse hervorzuheben, wobei
Teile unterdrückt
werden, die eine geringere interessierende Charakteristik aufweisen.
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Eine ungleichförmige Abtastung erfolgt, wenn
die Länge
eines variablen Armes des Interferometers in nicht-linearer Weise,
beispielsweise durch Einführung
einer Schritt- Funktions-Änderung
in der Position erhöht
wird.
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Bei gewissen Anwendungen kann es
vorteilhaft sein, ein Festkörper-Interferometer
zu benutzen, da hierbei keine beweglichen Teile erforderlich sind, die
dem Interferometer zugeordnet sind, und hierdurch wird die Möglichkeit
geschaffen, die vollständige
Abbildungseinrichtung als Festkörper-Vorrichtung zu
gestalten, wobei eine Festkörper-Vorrichtung tendenziös betriebssicherer
und unempfindlicher ist, als ein mechanisches Gegenstück. Um eine
Mißausrichtung
der optischen Elemente des Interferometers zu verhindern, kann das
Interferometer als Reflektoren Eck-Kuben benutzen.
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Wenn das Interferometer ein Festkörper-Instrument
ist, dann besteht es vorzugsweise aus einem Material dessen Brechungsindex
dadurch geändert
werden kann, indem man das anliegende elektrische Feld steuert.
Derartige Materialien sind als elektrooptische Modulatoren bekannt
und Beispiele sind Lithiumniobat und Galiumarsenid. Die Pfadlänge eines
Schenkels des Interferometers kann geändert werden, indem der Brechungsindex
des Materials durch äußere Mittel
geändert
wird.
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Um den Nachweis von Gegenständen zu
unterstützen,
ist es zweckmäßig, daß der Prozessor
einen Zwischenfeld-Vergleich durchführt, der am besten mit dem
Interferogramm (statt mit seiner Fourier Transformation, was die
spektrale Strahldichte ist) durchgeführt wird, und eine Gruppe von
Standard-Interferogrammen wird in einer Datenbasis durch einen üblichen
Echtzeitkorrelator gespeichert. So wird jedem Pixel ein spezifischer
spektraler Gehalt teilweise in Abhängigkeit von der spektralen
Strahldichte anderer Pixel zugeführt.
Der Prozessor kann eine Histogramm-Manipulation gemäß einer
Standard-Technik mit spektralen Strahldichtewerten durchführen und
jedem Pixel eine Grauskala in Abhängigkeit von der Zahl von Pixeln
zuordnen, die einen Wert in irgendeinem Bereich haben, um einen
maximalen Grauskalen-Kontrast zu erhalten. Eine solche Technik führt dazu,
daß alle
Pixel mit einer gleichen spektralen Strahldichte einem gewissen
Grauskalenwert zugeordnet werden, der irgendeine Gestalt hat, die jene
Pixel umfaßt,
die leichter in einem resultierenden Bild zu identifizieren sind.
Stattdessen liegt eine äquivalente
Technik darin, das Histogramm einem Bereich von Farben zuzuordnen,
und ein Falschfarbenbild zu erzeugen.
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Vorteilhafterweise kann das System
außerdem
ein Polarimeter aufweisen, um Strahldichte von dem gleichen Raumgegenstand
als Strahldichte zu empfangen, die durch das Interferometer empfangen wurde,
wobei der Prozessor die Daten vom Polarimeter mit jenen Daten kombiniert,
die von dem Feld der Detektorelemente empfangen wurden, um für jedes Pixel
eine Auswertung zu erhalten. In gleicher Weise oder zusätzlich zu
dem System kann eine Kamera Verwendung finden, um die Strahldichte über dem
interessierenden Wellenbereich vom gleichen Raumgegenstand zu empfangen,
wie die Strahldichte, die vom Interferometer empfangen wurde. Der
Ausgang der Kamera kann dann Intensitätsdaten liefern, die vom Prozessor
mit jenen kombiniert werden, die von den Detektorfeldelementen empfangen
wurden, um eine Auswertung für
jedes Pixel zu erhalten. Die Daten von den unterschiedlichen Auswertungen
werden vorzugsweise durch einen Fusions-Algorithmus kombiniert,
der auf standardisierten statistischen Techniken innerhalb des Prozessors
beruht, wobei die erlangte Auswertung den interessierenden Pegel
für ein
spezielles Pixel erzeugt. Beispielsweise kann ein spezielles Pixel
oder es kann eine Gruppe von Pixeln ausgezeichnet ausgewertet werden,
wenn die spektrale Strahldichte und/oder die Polarisation und/oder die
Intensität
wesentlich unterschieden ist von der benachbarter Pixel, da ein
solches Ereignis eine Anomalität
im Zielraum wäre,
die weiter betrachtet und untersucht werden könnte.
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
In der Zeichnung zeigen: Die 1A und 1B veranschaulichen ein erfindungsgemäßes Abbildungssystem;
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2 ist
ein beispielsweises spektrales Strahldichte-Diagramm für ein spezielles
Pixel;
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3 ist
eine schematische Darstellung der Daten, die durch das Abbildungssystem
gemäß 1A und 1B erzeugt
werden.
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1A zeigt
ein Abbildungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung, mit einer Apertur 1 zum Empfang eines Bildes
von einem Raumobjekt, das durch ein Gitter 2 repräsentiert
ist. Die durch die Apertur empfangene Strahldichte tritt in ein
Michelson Interferometer 3 ein, wo sie in zwei optische
Pfade durch eine halbverspiegelte Optik 4 aufgeteilt wird.
Der erste optische Pfad durchläuft
ein Kompensationselement 5 und gelangt auf einen Spiegel 6,
wo er durch das Kompensationselement 5 von der halbverspiegelten
Oberfläche
des Spiegels 4 weg durch einen Kollimator 7 reflektiert
wird, um auf ein Feld von Detektorelementen 8 in der Brennebene
aufzutreffen.
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Der zweite optische Pfad wird von
der Rückseite
der halbverspiegelten Optik 4 auf das optische Element 9 reflektiert.
Dieses besteht aus einem Material, dessen Brechungsindex durch ein
angelegtes elektrisches Feld gesteuert wird. Das durch das Material
tretende Licht wird von der versilberten Rückseite durch das Material
zurückreflektiert,
und es wird eine Änderung
der Pfadlänge
durch progressive Änderung
der angelegten Spannung eingeführt.
Dies ist äquivalent
der Abtastung eines Spiegels über
den Abstand Δx.
Der zweite optische Pfad durchläuft dann
die halbverspiegelte Optik 4 und wird mit dem ersten optischen
Pfad derart wieder kombiniert, daß eine konstruktive und destruktive
Interferenz zustandekommt, je nach der relativen Phase des Lichts
in den beiden optischen Pfaden.
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Das Feld in der Brennebene besteht
aus einem zweidimensionalen Feld von Detektorelementen, wobei jedes
Detektorelement (m,n) ein Pixel (m,n) definiert, entsprechend der
Region des Raumgegenstands repräsentiert
durch ein Quadrat des Gitters 2. Wenn die Pfadlänge eines
Schenkels des Interferometers durch Δx geändert wird, erzeugt die jedem
Bereich des Raumobjekts zugeordnete spektrale Strahldichte ein Interferenzmuster
derart, daß das
zugeordnete Detektorelement (m,n) des Feldes eine Reihe von durchlaufenden
Interferenzstreifen erzeugt, was von der konstruktiven bzw. destruktiven Interferenz
der beiden Lichtstrahlen innerhalb des Michelson Interferometers 3 herrührt. Demgemäß erzeugt
die spektrale Strahldichte vom Raumobjekt entsprechend den Pixeln
(m,n) repräsentiert
durch die graphische Darstellung A ein optisches Interferogramm
für Pixel
(m,n), wo die vom Detektorelement detektierte Intensität eine Funktion
von Δx ausgedrückt durch
die graphische Darstellung B ist. Dieser Ausgang für jedes
Pixel wird am Eingang X des Prozessors empfangen, der in 1B allgemein durch die strichlierte Linie 10 gekennzeichnet
ist.
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Nunmehr wird auf 1B Bezug
genommen. Hier ist die Funktion des Prozessors schematisch durch
Komponenten dargestellt, die innerhalb der strichlierten Linie 10 enthalten
sind. In der Praxis kann der Prozessor durch geeignete Verarbeitungsmittel
verbessert werden, und er kann im typischen Fall einen oder mehrere
Mikroprozessoren aufweisen, die an getrennten Stellen angeordnet
sind. Auch die Verarbeitung kann in Echtzeit durchgeführt werden
oder auch nicht. Die am Eingang X empfangenen Daten könnten von
einem Speichermedium empfangen werden, oder direkt von dem Feld 8 in
der Brennebene, wie dargestellt.
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Der Prozessor gemäß 1B steuert
die Versetzung Δx
des Spiegels 9. Das bei X empfangene Signal, das Daten
von jedem Element (m,n) der Darstellung enthält, wird zunächst vom
Verstärker 11 verstärkt und
dann in ein digitales Signal durch den Analog-Digital-Wandler 12 umgewandelt.
Es ist ein Fourier-Transformator 13 vorgesehen, der eine
spektrale Strahldichte für
jedes Pixel (m,n) als Funktion von Δx liefert, wie in der graphischen
Darstellung C angedeutet. Eine typische spektrale Strahldichte für ein Element
(m,n) ist in 2 dargestellt.
Es wird weiter auf 1B Bezug genommen.
Die spektrale Pixel-Strahldichte für jedes Element (m,n) wird
im Daten-File 14 gespeichert. Ein Innenfeld-Vergleich 15 wird
für die
Daten innerhalb des Daten-File 14 vorgenommen, um Pixel
mit gleichen Werten zu identifizieren und um auch einen Grenzwert
zu schaffen, um verschiedene Pixel mit dem gleichen Spektralgehalt zu
setzen, wobei die Grenze eine Funktion des Rauschpegels der Daten
und des Bereichs von Daten ist, gemäß der Standard-Bildverarbeitungstechnik
gemäß einem
adaptiven Bindungsfilter zu bilden.
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Jedes Pixel wird demgemäß einem
spektralen Datentypus zugeordnet, der im Datenfeld 16 gespeichert
wird. Der Wert wird aus einem einer Gruppe ausgewählt, die
nicht mehr als beispielsweise 256 Werte enthält, die einem herkömmlichen
Grauskalendisplay angepaßt
sind. Diese Werte werden dann in eine Grauskala 17 umgewandelt,
auf der eine Histogramm-Optimierung durchgeführt wird, um den Kontrast zwischen
den Grauwerten zu maximieren, bevor sie den Rahmenspeicher 19 zugeführt werden,
bevor sie auf dem Display 20 wiedergegeben werden.
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Zusätzlich zum Empfang der Daten
vom Eingang X des Prozessors 10 werden außerdem Eingänge von
einer Breitbandkamera 21 und einem Polarimeter 22 empfangen,
beide genau in der Sichtlinie ausgerichtet auf das gleiche Raumobjekt,
und zwar über
Linsenaperturen 23 bzw. 24, derart, daß der Pixelausgang
von Kamera und Polarimeter dem Pixelausgang des Fokalebenenfeldes 8 gemäß 1A entspricht.
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Vom Ausgang des Polarimeters 22 wird
ein Datenfeld 25 eines Pixel-Polarisationszustands erzeugt, und auf
diesen Daten wird ein Vergleich 26 innerhalb des Feldes
durchgeführt,
um eine Pixel-Polarisationstype jedem Pixel zuzuordnen und diese
Type wird im Datenfile 27 gespeichert. Dies wird in eine Grauwertskala 28 umgewandelt,
auf der eine Histogrammoptimierung bei 29 durchgeführt wird,
und die resultierenden Daten werden im Bildspeicher 30 gespeichert,
um auf dem Display 20 wiedergegeben zu werden. Dies ermöglicht dem
Benutzer zwischen einem Bild, das von der spektralen Strahldichte
der Szene erzeugt wird auf ein Bild umzuschalten, das von den Polarisationsdaten
des gleichen Bildes erzeugt wird. Der Benutzer kann zwischen den
Bildern durch manuelle Schaltbetätigung
umschalten oder die Bilder können
verschmolzen werden, um ein zusammengesetztes Bild zu liefern, basierend
auf dem Schlüsselmerkmal
eines jeden Bildes.
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Der Ausgang der Kamera 21 liefert
die Intensitäts-Daten
für den
Block 31. Bei 31 wird ein Intensitäts-Schwellwert
angelegt, und die Pixel-Intensität wird
im Daten-File 32 gespeichert.
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Aus dem Ausgang des Blocks 31 wird
ein Breitband-Pixel-Intensitäts-Datenfile 32 erzeugt.
Der Inhalt dieses Datenfiles 32 wird zusammen mit dem Inhalt
des Pixel-Polarisations-Typ-Datenfiles 27 und dem
Pixel-Spectra-Typ-Datenfile 16 durch einen Fusions-Algorithmus 33 kombiniert.
Dieser Algorithmus empfängt
einen Eingang von einem Spektral-Anomal-Datenfile 34, dessen
Inhalt vom Ausgang des Intra-Feld-Comparators und des Begrenzers 15 abgeleitet
wird, wobei die Anomalien, die vom Comparator identifiziert sind,
und im Begrenzer über
einen vorbestimmten Schwellwert 35 liegen, in einem Datenfile 34 für die spektralen
Anomalien gespeichert, und dieser Datenfile 34 enthält eine
Liste aller Pixel, die eine spektrale Strahldichte besitzen, die
von den Hintergrund-Pixeln und den benachbarten Pixeln unterschieden
ist, wie dies vom Schwellwert 35 festgestellt wird.
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Der Fusions-Algorithmus 33 verarbeitet
die empfangenen Daten gemäß Pararnetern,
die durch den Benutzer entsprechend der Anwendung des Benutzers
empfangen werden. Der Fusions-Algorithmus 33 erzeugt eine
Auswertung im Datenfile 36 für jedes Pixel und alle Auswertungen über einem Schwellwert 37 werden
durch einen Entscheidungsblock 38 identifiziert, dessen
Ausgang entweder für den
interessierenden Flag-Bereich auf dem Display 20 benutzt
werden kann, oder es können
Bildbereiche identifiziert werden, die eine weitere Untersuchung
garantieren. Der Fusions-Algorithmus erzeugt eine Auswertung in
Abhängigkeit
von der relativen Größe eines
jeden der drei Eingänge.
Eine hohe Auswertung resultiert aus einer gleichzeitig gemessenen spektralen
Anomalie einer Polarisations-Anomalie und einer Intensitäts-Anomalie.
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In 3 ist
ein dreidimensionaler Hyper-Cubus dargestellt, der aus den Daten
geschaffen wurde, die in dem Pixel-Spektral-Strahldichte-Daten-File 14 gemäß 1B enthalten sind. Die x-Achse und die y-Achse
des Hyper-Cubus repräsentieren
die Pixel-Positionen
im Raumobjekt und die Wellenlänge ist
durch die z-Achse gegeben. Für
jedes der Pixel kann die Spektral-Strahldichte bezüglich der
Wellenlänge
abgeleitet werden, und in dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Abschnitte 40, 41 und 42 im
Hyper-Cubus mit
durchschnittlichen Spektral-Strahldichte-Aufzeichnungen dargestellt.
Jede spektrale Strahldichte-Aufzeichnung kann mit jener eines bekannten
Gegenstands verglichen werden, was die Möglichkeit schafft, die Type
des Gegenstandes oder Gases zu identifizieren. Ein derartiges Vergleichsverfahren
kann durchgeführt
werden, weil der Ausgang des Entscheidungsblocks 38 bestimmt,
daß ein
spezielles Pixel innerhalb des Bildes von Interesse ist.
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Die spektrale Strahldichte typischer
Szenarien hängen
von der Tageszeit und der Vegetation oder der Natur des Bodens ab,
der das Sichtfeld des Instruments ausfüllt.
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Diese Information wird benutzt, um
die Spektrometer-Auflösung
und andere Betriebsparameter einzustellen. Dies wird im Prozessor
durchgeführt. Eine
durchschnittliche spektrale Strahldichte wird berechnet und mit
einer kleinen Datengruppe verglichen, um die beste Anpassung zu
erzeugen. Dies wird benutzt, um die Betriebsparameter in einer Weise
einzustellen, wodurch die Empfindlichkeit des Instruments zur Feststellung
von Anomalien optimiert wird.
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Der drei-dimensionale Hyper-Cubus
kann für den
Polarisationszustand oder die Intensität sowie für die spektrale Strahldichte
erzeugt werden. Es kann ein fünf-dimensionaler
Hyper-Cubus in einer geeigneten mathematischen Form erzeugt werden, aber
er kann nicht in einer einfach komprimierten Weise repräsentiert
werden.
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Vorstehend wurde ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung beschrieben. Es ist jedoch klar, daß die aus dem Focalebenenfeld 8 gemäß 1A gewonnenen Daten noch
auf andere Weise verarbeitet werden können und auch diese Verarbeitung
soll im Rahmen der beiliegenden Ansprüche erfolgen.