Die Funktionsweise der HRSC

Die HRSC ist die erste digitale Stereokamera in der Planetenforschung, die zusätzlich multispektrale Informationen liefert und als besonderes Extra über ein sehr hochauflösendes Objektiv, quasi eine Lupe, verfügt. Die HRSC-Bilddaten von der Marsoberfläche bilden die Grundlage für zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen.

Wie funktioniert eine digitale Kamera?

Elektronische Sensoren, sogenannte CCD's (Charged Coupled Devices), findet man in handelsüblichen digitalen Kameras. In Kamerasystemen auf Satelliten sind digitale CCD-Kameras heute die Norm.Ein digitales Bild ist aus vielen kleinen Bildelementen (Pixeln) aufgebaut, wobei jedem Pixel eine Helligkeit zugeordnet ist. Diese Helligkeit wird in Bit gemessen und gibt an, wie viele Grautöne im Bild unterschieden werden. In einem Bild mit einer Abstufung bzw. radiometrischen Auflösung von acht Bit können 28 verschiedene Graustufen unterschieden werden. Die Anzahl der Pixel multipliziert mit der radiometrischen Auflösung ergibt die Bildgröße, gewöhnlicherweise gemessen in Megabyte.

Funktionsweise einer CCD-Kamera

In einem CCD-Chip wird der von Einstein im Jahre 1905 erklärte fotoelektrische Effekt genutzt, bei dem Photonen Elektronen aus Metallen ausschlagen und so eine elektrische Ladung erzeugt wird. Im CCD-Chip wird für eine vom Benutzer gewählte Zeit der Verschluss geöffnet, und Licht fällt auf den CCD-Chip. In dieser Zeit baut sich eine Spannung analog zur Anzahl der eingestrahlten Photonen auf, wobei CCD-Chips eine im Vergleich zum menschlichen Auge verschobene Farbempfindlichkeit besitzen. Während sie im kurzwelligen blauen Bereich weniger empfindlich sind, können sie längerwelliges Licht sogar noch bis in den nahen Infrarot-Bereich messen, für den das menschliche Auge nicht empfindlich ist.

Nach der Belichtung werden die induzierten Spannungen der einzelnen Pixel durch an einen Signalprozessor weitergegeben, der diese in Helligkeitswerte umrechnet. Grob gesprochen werden die Ladungen, die sich aufgrund des Fotoeffekts in den einzelnen Bildelementen aufgebaut haben, pixelweise an den Rand verschoben und dort nach einer Signalverstärkung vom Analog-Digital-Konverter (ADC) in elektrische Signale umgewandelt, die vom Computer verarbeitet werden können. Sobald eine Zeile so umgewandelt ist, werden die Ladungen wieder um ein Bildelement weiter geschoben, so dass eine weitere Zeile ausgelesen werden kann. Die Genauigkeit der Umrechnung im ADC wird in Bit angegeben.

Flächensensoren

In den meisten digitalen Kameras werden zweidimensionale „Flächen“-Sensoren eingesetzt. Bei einer Aufnahme wird eine Fläche aus x Zeilen und y Spalten gleichzeitig belichtet (aus dem Produkt von x mal y errechnet sich die Anzahl der Bildpunkte. Ein für gewöhnliche digitale Kameras üblicher Wert ist beispielsweise drei bis fünf Megapixel. Bei einer Aufnahme werden die Bildelemente in allen Zeilen und Spalten gleichzeitig belichtet.

Zeilensensoren

Wenn die elektronischen Sensoren nicht als eine zweidimensionale Anordnung aus Zeilen und Spalten bestehen, sondern aus einer eindimensionalen Aneinanderreihung von Sensorelementen beziehungsweise Pixeln, spricht man von einem Zeilensensor. Das aufzunehmende Objekt wird Zeile für Zeile erfasst, bei einer Aufnahme wird also eine Sensorenzeile belichtet. Viele einzelne Zeilen werden am Rechner zu einem zweidimensionalen Bild zusammengesetzt, wobei die Anzahl der Zeilen dabei theoretisch unbegrenzt ist.

Die HRSC-Kamera hat ebenfalls CCD-Sensoren, aber nicht als Flächensensor, sondern als Zeilensensor mit sehr vielen Bildpunkten angeordnet: die HRSC-Zeilen haben 5.184 Pixel. Bei einer Aufnahme wird nur eine Sensorenzeile gleichzeitig belichtet. Um eine zweidimensionales Bild zu bekommen, muss man also viele Zeilen hintereinander aufnehmen und sie dann zu einem flächigen Bild zusammensetzen.

Wichtig dabei ist die genaue Abstimmung zwischen der Geschwindigkeit der Kamera beziehungsweise der Raumsonde) über dem Grund, der Taktrate, mit der die einzelnen Zeilen aufgenommen werden, und der Belichtungszeit: Die Zeilen sollten möglichst lückenlos aneinander passen, und die Pixel des Bildes sollten im Idealfall quadratisch sein. Da die Geschwindigkeit sich wegen der elliptischen Umlaufbahn ständig ändert, muss also die Taktrate ebenfalls ständig geändert werden.

Die HRSC kann theoretisch beliebig viele Zeilen hintereinander aufnehmen, die Bilder könnten also im Prinzip unendlich lang sein. Tatsächlich ist die Größe durch verschiedene Faktoren begrenzt, von denen die Datenmenge, die die Sonde überhaupt nur zur Erde übertragen kann, der entscheidende ist. In der Realität nimmt die HRSC Bilder auf, die typischerweise zwischen 30.000 und 60.000 Zeilen lang sind.

Die „Lupe“ SRC (Super Resolution Channel)