Hyperspektrales Sensorsystem

Das hyperspektrale Sensorsystem besteht aus einem Spektographen in Kombination mit einer hochauflösenden CCD-Kamera und ermöglicht die Aufzeichnung detektierter Strah-lung vom sichtbaren bis zum nahen Infrarotbereich mit einer spektralen Auflösung von 2,8 nm. Vor dem Spektrographen ist eine Linse montiert, die das einfallende Licht auf den Eintrittsspalt fokussiert. Im Spektrograph wird das Licht mit Hilfe von Prismen und Gittern spektral gebrochen und auf den CDD-Sensor fokussiert. Die Aufzeichnung der Daten er-folgt nach dem Prinzip eines Zeilenscanners. Durch die gleichmäßige Vorwärtsbewegung des Flugzeugs wird ein überflogenes Gebiet in Form eines kontinuierlichen Streifens ab-getastet. Jede Zeile wird dabei in einer Bildmatrix gespeichert, die in einer Achse die ge-ometrischen Informationen, in der anderen Achse die spektralen Informationen beinhaltet.

Der schematische Aufbau des Hyperspektralsensors ist in Bild 2 dargestellt, die techni-schen Daten des Hyperspektralsensors sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

Bornimer Agrartechnische Berichte  Heft 81

Bild 2: Funktionsprinzip des Hyperspektralsensors; © Spectral Imaging Ltd

Tabelle 2: Technische Daten des Hyperspektralsensors

Spektrograph

Das Instrument wird auf einer Montageplatte befestigt, die den horizontalen Einbau des Sensors im Rumpf ermöglicht und die einfallende Strahlung über einen optischen Spiegel auf die Linse umlenkt. Durch dämpfende EPP-Pads an den Aufnahmepunkten der Platte werden Vibrationen am Instrument minimiert. Der verwendete Spiegel ist mit metallischen, dielektrischen Spiegelschichten versehen, die eine hohe, gleichmäßige Reflexion ohne Absorptionsbanden im sichtbaren und nahen Infrarotbereich aufweisen und beständig ge-gen Umwelteinflüsse sind. Das Instrument wird zusammen mit Montageplatte und Spiegel kalibriert um mögliche Störeinflüsse zu korrigieren. Zur Aufzeichnung der Daten während eines Messfluges wird ein kompakter nettop-pc mit linux-Betriebssystem verwendet, der über eine Gigabit-Ethernet Schnittstelle mit dem Hyperspektralsensor verbunden ist. Als Speichermedium kommt eine Solid-State-Disk mit einer Kapazität von 128 Gigabyte zum

Einsatz, die erschütterungsresistent arbeitet und eine ausreichend hohe Schreibge-schwindigkeit aufweist.

Tabelle 3: Technische Daten des Bordrechners und anfallender Datenstrom

Bordrechner

Tabelle 3 zeigt die wichtigsten technischen Daten des Bordrechners sowie die anfallende Datenmenge des Instrumentes. Der Bordrechner startet nach dem Einschalten automa-tisch die nötige Software und initialisiert die Kamera. Diese wird anschließend in einen Bereitschaftsmodus gesetzt und startet die kontinuierliche Aufnahme mit fester Framerate durch ein externes Triggersignal, welches GPS-gesteuert vom Autopiloten ausgelöst wird.

Jedes aufgenommene Einzelbild wird mit einem Zeitstempel und der eingestellten Integra-tionszeit versehen. Die aufgezeichneten Daten können nach Beendigung des Fluges über W-LAN auf einen stationären Rechner kopiert werden. Um die Zeilenaufnahmen korrekt zu einem hyperspektralen Bildstreifen zusammensetzen zu können, müssen zu jedem Aufnahmezeitpunkt genaue Positions- und Lagedaten des UAS bekannt sein. Hierzu wer-den während des Messflugs Rohdaten einer MEMS-basierten IMU sowie eines L1-GPS-Empfängers aufgezeichnet. Die IMU ist fest auf dem Spektographen montiert, um Positi-ons- und Lageabweichung zum Instrument möglichst gering und konstant zu halten. Das Positions- und Lage-Sensorsystem besteht aus einem je dreiachsigen Beschleunigungs-sensor, Kreiselsensor und Magnetometer, einem L1-Gps Empfänger mit Rohdatenausga-be sowie einem Barometer als zusätzlichen Sensor zur VerRohdatenausga-besserung der HöhenRohdatenausga-bestim- Höhenbestim-mung. Da für die Georeferenzierung keine Echtzeitfähigkeit benötigt wird, kommt ein spe-ziell entwickelter erweiterter Kalmanfilter mit Glättungs-Algorithmen zur Berechnung von Position und Lage im post-processing zur Anwendung. Über den Zeitstempel im Header jedes Zeilenbildes werden die Positions- und Lagedaten mit den Spektraldaten verknüpft.

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2.2.2 Radiometrische Kalibrierung

Um die Empfindlichkeit des CCD-Sensors zu charakterisieren und Sensorinhomogenitäten zu korrigieren, wird das abbildende Spektrometer regelmäßig im institutseigenen Optikla-bor radiometrisch kalibriert. Zur Untersuchung des Dunkelsignals werden Messungen bei verschlossener Blende durchgeführt. Für jedes Pixel wird durch Mittelung über 30 Mes-sungen das Signal bestimmt, das durch Ausleserauschen der Elektronik sowie thermische Anregung von Elektronen durch die Umgebungstemperatur ohne Belichtung hervorgeru-fen wird. Die so ermittelte Verteilung des Dunkelsignals (DSNU, Dark Signal Non Uniformi-ty) wird nach Messungen jeweils pixelweise vom gemessenen Signal abgezogen. Bild 3 zeigt die Variation und Häufigkeitsverteilung des Dunkelsignals, normiert auf den mittleren Dunkelstrom.

Bild 3: Variation und Häufigkeitsverteilung des Dunkelsignals

Bestrahlt man den Sensor mit homogenem Licht bekannter Strahldichte und spektraler Verteilung, kann der Faktor zur Umrechnung von Signalwerten am CCD (DN - Digital Number) in strahlungsphysikalische Größen (spektrale Strahldichte in W/(m² sr nm)) pi-xelweise bestimmt werden. Gleichzeitig werden räumlich verteilte Inhomogenitäten korri-giert, die durch unterschiedlich empfindliche CCD-Elemente und Vignettierungseffekte der optischen Komponenten verursacht werden. Als Strahlungsquelle dient eine Ulbrichtkugel, die vom Hersteller nach PTB-Standard (Physikalisch Technische Bundesanstalt) kalibriert wurde.

2.2.3 Spektrale Kalibrierung

Bei der spektralen Kalibrierung wird das Verhalten der Sensorpixel gegenüber Licht dis-kreter Wellenlängen untersucht. Zur Bestimmung von Reflexionsspektren und Ableitung von physikalischen Parametern ist eine exakte Kalibrierung der Wellenlängen nötig. Als Lichtquelle dienen spezielle Gasentladungslampen, die Licht in diskreten Spektrallinien ausstrahlen. Die Messungen finden im abgedunkelten Optiklabor statt. Das radiometrisch korrigierte Signal wird mit einer Gaußkurve angenähert, so dass jeder Spektrallinie ein Maximum bei einer theoretischen Pixelnummer zugeordnet werden kann. Durch

Messun-gen mit Quecksilber-Argon-, Neon- und Xeon-Lampen ergibt sich eine Kurvenfit dritter Ordnung für die Wellenlängenzuordnung, die spektralen Daten werden durch Binning auf 331 Kanäle reduziert. Eine Bespielmessung des Xenon-Spektrums sowie das Ergebnis der spektralen Kalibrierung sind in Bild 4 zu sehen.

Bild 4: Messausschnitt des Xenonspektrums und Wellenlängenkalibrierung