ИК-радиометр мсу-ик-срм для решения задач оперативного мониторинга техногенных и природных чрезвычайных ситуаций Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.396

ИК-РАДИОМЕТР МСУ-ИК-СРМ

ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПЕРАТИВНОГО МОНИТОРИНГА ТЕХНОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

Андрей Юрьевич Ряднов

АО «Российские космические системы», 11250, Россия, г. Москва, ул. Авиамоторная, 53, инженер-исследователь 2-й категории, тел. (495)673-94-01, e-mail: Ryadnov_ay@spacecorp.ru

Роман Викторович Андреев

АО «Российские космические системы», 11250, Россия, г. Москва, ул. Авиамоторная, 53, инженер-исследователь 2-й категории, тел. (495)673-95-03, e-mail: Andreev-k@list.ru

Юрий Михайлович Гектин

АО «Российские космические системы», 11250, Россия, г. Москва, ул. Авиамоторная, 53, кандидат технических наук, доцент, главный конструктор, тел. (495)673-95-03, e-mail: Gektin_ym@spacecorp.ru

Николай Петрович Акимов

АО «Российские космические системы», 11250, Россия, г. Москва, ул. Авиамоторная, 53, главный специалист, тел. (495)673-95-03, e-mail: Petrov_sv@spacecorp.ru

Александр Георгиевич Фролов

АО «Российские космические системы», 11250, Россия, г. Москва, ул. Авиамоторная, 53, кандидат технических наук, доцент, начальник сектора разработки многоканальных сканирующих устройств ИК-диапазона, тел. (495)673-94-01, e-mail: Frolov_ag@spacecorp.ru

Юрий Юрьевич Гулин

АО «Российские космические системы», 11250, Россия, г. Москва, ул. Авиамоторная, 53, кандидат технических наук, главный специалист, тел. (495)673-94-01, e-mail: gulin@front.ru

ИК радиометр МСУ-ИК-СРМ осуществляет сеансную трассовую съемку в инфракрасном диапазоне спектра с пространственным разрешением 200 м в надире при полосе обзора 2000 км. Аппаратура предназначена для мониторинга техногенных и природных чрезвычайных ситуаций, обнаружения пожаров, тематического картографирования земной поверхности. В работе кратко рассмотрена конструкция ИК-радиометра. Приведено сравнение аппаратуры МСУ-ИК-СРМ с зарубежными и отечественными аналогами. Представлены первые результаты работы радиометра на орбите в составе КА «Канопус-В-ИК».

Ключевые слова: ИК радиометр, дистанционное зондирование Земли, сканирующее устройство, космический мониторинг пожаров, мониторинг высокотемпературных объектов, обнаружение пожаров.

IR RADIOMETER MSD-IR-MRM FOR OPERATIVE MONITORING OF TECHNOGENIC AND NATURAL DISASTER

Andrey Yu. Ryadnov

JSC «Russian Space Systems», 53, Aviamotornaya St., Moscow, 111250, Russia, Research Engineer Category 2, phone: (495)673-94-01, e-mail: Ryadnov_ay@spacecorp.ru

Roman V. Andreev

JSC «Russian Space Systems», 53, Aviamotornaya St., Moscow, 111250, Russia, Research Engineer Category 2, phone: (495)673-95-03, e-mail: Andreev-k@list.ru

Yuriy M. Gektin

JSC «Russian Space Systems», 53, Aviamotornaya St., Moscow, 111250, Russia, Ph. D., Associate Professor, Chief Designer, phone: (495)673-95-03, e-mail: Gektin_ym@spacecorp.ru

Nikolai P. Akimov

JSC «Russian Space Systems», 53, Aviamotornaya St., Moscow, 111250, Russia, Chief Specialist, phone: (495)673-95-03, e-mail: Petrov_sv@spacecorp.ru

Alexander G. Frolov

JSC «Russian Space Systems», 53, Aviamotornaya St., Moscow, 111250, Russia, Ph. D., Associate Professor, Head of Sector of IR Multichannel Scanning Devices Development, phone: (495)673-94-01, e-mail: Frolov_ag@spacecorp.ru

Yuriy Yu. Gulin

JSC «Russian Space Systems», 53, Aviamotornaya St., Moscow, 111250, Russia, Ph. D., Chief Specialist, phone: (495)673-94-01, e-mail: gulin@front.ru

IR radiometer MSD-IR-MRM (multichannel scanning IR-radiometer of medium resolution) provides a session tracing infrared survey with a spatial resolution 200 m at nadir and a 2000 km viewing range. It designed for monitoring of technogenic and natural emergencies, fire detection, thematic mapping of the Earth's surface. The design of IR radiometer is briefly considered. The comparison of MSD-IR-MRM with foreign and native counterparts is presented. The first results of the radiometer operating in orbit on board of satellite «Kanopus-V-IR» are presented.

Key words: IR radiometer, remote sensing of the Earth, scanner, space fire monitoring, monitoring of high-temperature objects, fire detection.

Введение

В Российской Федерации актуальной является задача по оперативному обнаружению пожаров, техногенных и природных катастроф. Ранее эта задача решалась при помощи зарубежной аппаратуры дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ): радиометров AVHRR, установленных на спутниках серии NOAA, спектрометра MODIS на спутниках TERRA и AQUA.

Создание в 2009 году в России полноценной отечественной метеорологической системы, включающей среднеорбитальный спутник «Метеор-М» с широкозахватной многозональной аппаратурой МСУ-МР [1], позволило использовать отечественные данные ДЗЗ.

Однако, все перечисленные космические аппараты в совокупности не позволяли получить полную и оперативную информацию о пожарной обстановке лесных массивов на территории России. В связи с этим в АО «Российские космические системы» было разработано многоканальное сканирующее устройство среднего и дальнего ИК диапазонов, среднего разрешения (МСУ-ИК-СРМ)

[2] для КА «Канопус-В-ИК» (разработчик АО «Корпорация «ВНИИЭМ»). Аппарат был успешно выведен на орбиту 14 июля 2017 года.

Помимо основной задачи многоканальный радиометр может быть использован для мониторинга гидрометеорологических явлений, различных видов тематического картографирования земной поверхности, исследования динамических процессов на акваториях, вулканической деятельности и решения других задач, в основе которых лежит выявление областей с повышенной температурой или аномальными тепловыми контрастами.

Характеристики аппаратуры МСУ-ИК-СРМ и принцип ее построения

Радиометр МСУ-ИК-СРМ состоит из четырех независимых оптико-электронных блоков. В процессе съемки задействована одна пара оптико-электронных блоков, другая пара является холодным резервом. Для обеспечения радиометрической точности измерений аппаратуры в ее состав введены бортовые эталонные излучатели, используемые для калибровки фотоприемных устройств. На рис. 1 представлена модель радиометра МСУ-ИК-СРМ.

Рис. 1. 3D-модель радиометра МСУ-ИК-СРМ:

1 - защитные крышки; 2 - сканирующее зеркало с приводом; 3 - оптико-электронные блоки основного комплекта; 4 - оптико-электронные блоки резервного комплекта; 5 - блоки обработки сигналов

Использование отечественных матричных фотоприемников [3], формата 288х4, охлаждаемых микрокриогенной системой Стирлинга, в сочетании с механическим сканированием (используется двухстороннее плоское зеркало, совершающее круговое движение с помощью низкооборотного прецизионного

привода) позволило реализовать радиометр с широкой полосой обзора (2000 км) и высоким пространственным разрешением (200 м).

При формировании видеосигнала в МСУ-ИК-СРМ применен метод двухточечной коррекции выполнения нормализации изображения. Также с целью повышения отношения сигнал/шум реализован режим временной задержки и накопления (по 4 элементам).

В табл. 1 представлены характеристики радиометра МСУ-ИК-СРМ.

Таблица 1

Тактико-технические характеристики ИК радиометра МСУ-ИК-СРМ

Количество спектральных каналов 2

Границы спектральных зон 1) 3,5 - 4,1 мкм 2) 8,4 - 9,4 мкм

Полоса обзора (при высоте орбиты КА 510 км) 2000 км

Пространственное разрешение в надире 200 м

Диапазон измеряемых температур 230 - 500 К

Эквивалентная шуму разность измеряемых температур (на уровне 300 К) <0,30К (для канала 3,5 - 4,1 мкм) <0,15К (для канала 8,4 - 9,4 мкм)

Разрядность выходного сигнала 16 бит

Режим работы Посеансно 23 мин

Масса ~ 82 кг

Сравнение радиометра МСУ-ИК-СРМ с отечественными и зарубежными аналогами

Система мониторинга пожарной обстановки должна обладать как высоким пространственным разрешением, так как для очага зарождающегося пожара характерны малые размеры, так и широкой полосой обзора для повышения оперативности системы наблюдения.

В табл. 2 перечислены основные приборы, используемые для мониторинга пожаров. Также, приведены характеристики аппаратуры HRSR (КА BIRD, Германия), работавшей до 2003 года. Упомянутая аппаратура была первой, специально предназначенной для мониторинга пожаров.

Используемую для мониторинга пожаров аппаратуру можно условно разделить на два типа. Первый - приборы с широкой полосой обзора и низким пространственным разрешением (AVHRR, MODIS, МСУ-МР). Второй - приборы с высоким пространственным разрешением, но с узкой полосой обзора (ASTER, IRMSS, система FireBIRD). Приборы первого типа позволяют осуществлять ежедневный мониторинг любой местности, но при этом обладают слабой обнаружительной способностью. Приборы второго типа способны обнаруживать малые очаги горения, но интервал между съемками одного и того же участка местности составляет несколько десятков дней.

Аппаратура, используемая в различных космических программах по мониторингу пожаров и других высокотемпературных объектов

Прибор Страна Спектральный диапазон, мкм (№ канала) Разрешение (№ канала) Полоса обзора КА, год запуска Высота орбиты Функционирование в настоящее время

AVHRR США 0,58-0,68 (1) 0,72-1,10 (2) I,58-1,64 (з) 3,55-3,93 (4) 10,3-11,3 (5) II,3-12,5 (6) 1,1 км 2800 км NOAA-6 -NOAA-19 (1979-2009) MetOp-A, MetOp-B (2006, 2012) 800850 км да (КОАА-15, КОАА-18, ШАА-19, МеЮр-А, МеЮр-Б)

MODIS США 0,4-1,0 (1-20) 3,6-14,4 (21-36) 250м -1 км (1-20) 1 км (20-36) 2330 км Terra (1999) Aqua (2002) 705 км да

IRMSS Бразилия / Китай 0,5-1,1 (1) 1,55-1,75 (2) 2,08-2,35 (3) 10,4-12,5 (4) 40 м (1-3) 80 м (4) 120 км CBERS-1 -CBERS-4 (1999-2014) 780 км да (СББЯ8-4)

HRSR Германия 3.4-4,2 (1) 8.5-9,5 (2) 370 м 190 км BIRD (2001) 566 км нет (с 2003)

ASTER Япония 0,20-0,86 (1-4) 1,6-2,4 (5-10) 8,1-11,7 (11-15) 15 м (1-4) 30 м (5-10) 90 м (11-15) 60 км Terra (1999) 705 км да (с января 2009 года каналы 5-10 не работают

FireBIRD Германия 3.4-4,2 (1) 8.5-9,3 (2) 356x178 м 178 км TET-1 sat. (2012) BIROS sat. (2016) 510 км да

OLI/TIRS США 0,50-0,68 (1) 0,43-2,30 (2-9) 10,3-12,5 (10-11) 15 м (1) 30 м (2-9) 100 м (10-11) 185 км Landsat-8 (2013) 705 км да

МСУ-МР Россия 0,5-0,7 (1) 0,7-1,1 (2) 1,6-1,8 (3) 3,5-4,1 (4) 10,5-11,5 (5) 11,5-12,5 (6) 1 км 2800 км Метеор-М №2 (2014) 835 км да

МСУ-ИК-СРМ Россия 3,5-4,1 (1) 8,4-9,4 (2) 200 м 2000 км Канопус-В-ИК (2017) 510 км да

Аппаратура МСУ-ИК-СРМ сочетает в себе преимущества приборов обоих типов. При пространственном разрешении 200 м в надире она позволяет обнаруживать малые очаги горения размером 5х5 м, обладая широкой полосой обзора. Данные характеристики аппаратуры позволяют осуществлять ежедневный мониторинг пожаров на всей территории Российской Федерации.

Первые результаты работы радиометра МСУ-ИК-СРМ на орбите

С момента запуска КА «Канопус-В-ИК» (июль 2017 года) по март 2018 года проводились летно-конструкторские испытания аппаратуры МСУ-ИК-СРМ [4, 5]. В ходе этих испытаний измерялись тактико-технические характеристики радиометра (такие как пространственное разрешение, полоса обзора и т.д.) и оценивались информационные возможности аппаратуры.

1. Полоса обзора.

Минимально-допустимая полоса обзора аппаратуры МСУ-ИК-СРМ составляет 2000 км. В ходе испытаний измерялась полоса обзора для каждого отдельного канала. Результаты приведены в табл. 3.

Таблица 3

Ширина полосы обзора аппаратуры МСУ-ИК-СРМ

Комплект Канал Требование, км Полоса обзора, км

Основной 3,5 - 4,1 мкм 2095

8,4 - 9,4 мкм >2000 2102

Резервный 3,5 - 4,1 мкм 2091

8,4 - 9,4 мкм 2103

Реализованная в радиометре МСУ-ИК-СРМ полоса обзора >2000 км позволяет обеспечить за 5-6 последовательных витков (при длительности сеанса 15-20 минут) съемку всей территории России. 2. Пространственное разрешение.

Разрешающую способность аппаратуры можно характеризовать двумя параметрами: размером проекции пикселя и коэффициентом передачи модуляции. Результаты измерения этих параметров приведены в табл. 4.

Таблица 4

Размер проекции пикселя и коэффициент передачи модуляции аппаратуры МСУ-ИК-СРМ

Комплект Канал Размер проекции пикселя, м Коэффициент модуляции, %

Требование Измеренное значение Требование Измеренное значение

Основной 3,5 - 4,1 мкм < 200 199,7 > 30 35

8,4 - 9,4 мкм 197,7 30

Резервный 3,5 - 4,1 мкм 195,5 32

8,4 - 9,4 мкм 199,6 35

При таком пространственном разрешении, аппаратура МСУ-ИК-СРМ не уступает по возможностям обнаружения малоразмерных очагов пожара зарубежной системе Е1геВ1КО, несмотря на значительно более широкую полосу обзора [6].

На рис. 2 приведены фрагменты изображений очагов горения остаточных газов на нефтяных вышках, полученных аппаратурой МСУ-ИК-СРМ.

Рис. 2. Фрагменты изображений МСУ-ИК-СРМ газовых факелов на нефтяных месторождениях в Ираке в двух спектральных каналах: 3,5-4,1 мкм (слева) и 8,4-9,4 мкм (справа)

3. Динамический диапазон измеряемых температур.

Результаты оценки динамического диапазона радиометра МСУ-ИК-СРМ в уровнях квантования (ур.кв.) 16-разрядного выходного сигнала при различных измеряемых температурах приведены в табл. 5.

По результатам испытаний можно сделать вывод, что на верхней своей границе диапазон измеряемых температур отвечает предъявляемым требованием. На нижней границе наблюдается отклонение от требований для канала 8,4 -9,4 мкм. Данное отклонение связано с отличием температуры холодного эталонного источника излучения на борту от расчетного. Несмотря на указанное отклонение от требований, аппаратура способна регистрировать заявленные температуры в области низких значений порядка 230 К.

Высокая информативность (16 бит на пиксел) и специальная настройка фотоприемника позволяют измерять температуры объектов от 230 до 500 К. Это позволяет не только детектировать высокотемпературные объекты, но и оценивать площадь и температуру горения. Широкий диапазон измеряемых температур позволяет решать задачи по исследованию активности вулканов и прогнозированию сейсмической активности.

Динамический диапазон измеряемых температур аппаратуры МСУ-ИК-СРМ

Комплект Канал Температура, К Требование, ур.кв. Измеренное значение, ур. кв.

Основной 3,5 - 4,1 мкм 250 60±30 30

330 700±50 688

500 32000±8000 33416

8,4 - 9,4 мкм 220 60±30 4

330 900±50 856

Резервный 3,5 - 4,1 мкм 250 60±30 30

330 700±50 697

500 32000±8000 34123

8,4 - 9,4 мкм 220 60±30 3

330 900±50 850

На рис. 3 приведен снимок действующего вулкана на острове Гавайи.

Рис. 3. Слева - снимок канала 3.5-4.1 мкм сканера МСУ-ИК-СРМ, остров Гавайи, 12 октября 2017 года.

Справа - карта границ вулканов острова Гавайи: 1. Кохала (1670 м) - потухший; 2. Мауна-Кеа (4205 м) - дремлющий; 3. Хуалалай (2521 м) - дремлющий; 4. Мау-на-Лоа (4169 м) - активный; 5. Килауэа (1247 м) - активный; 6. Лоихи (975 м) -подводный активный

4. Радиометрическое разрешение.

Результаты оценки радиометрического разрешения радиометра МСУ-ИК-СРМ приведены в табл. 6.

Радиометрическое разрешение аппаратуры МСУ-ИК-СРМ

Комплект Канал Требование, К (на уровне 300 К) Эквивалентная шуму разность измеряемых температур, К

Основной 3,5 - 4,1 мкм < 0,5 0,18

8,4 - 9,4 мкм < 0,2 0,2

Резервный 3,5 - 4,1 мкм < 0,5 0,19

8,4 - 9,4 мкм < 0,2 0,05

Высокое радиометрическое разрешение сканера МСУ-ИК-СРМ позволяет регистрировать локальные разности температуры до 0,2 К. Такая радиометрическая точность позволит успешно решать прикладные задачи, такие как: исследование динамических процессов на акваториях, различные виды тематического картографирования земной поверхности, мониторинг вырубки лесов и т.д. (рис. 4).

Рис. 4. Слева - вырубка леса, Красноярский край, 28 февраля 2018 года, аппаратура МСУ-СК-СРМ, 8.4-9.4 мкм; справа - Японское море, 11 октября 2017 года, аппаратура МСУ-СК-СРМ, 8.4-9.4 мкм

Заключение

Радиометр МСУ-ИК-СРМ, входящий в состав КА «Канопус-В-ИК», позволяет получить принципиально новую информацию о высокотемпературных объектах за счет сочетания высокого пространственного разрешения с широкой полосой обзора. При решении задач мониторинга пожаров радиометр МСУ-ИК-СРМ будет иметь преимущества не только над существующими приборами (ЛУИЯЯ, МОБК, МСУ-МР), но и над перспективными (УПЯБ и МСУ-МР-МП) с разрешением 0,5 км.

Результаты летных испытаний радиометра показали, что требования, предъявляемые к аппаратуре, реализованы полностью, а радиометр в дальнейшем может быть использован при создании российской специализированной космической системы наблюдения за пожарной обстановкой лесных территорий.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Акимов Н. П., Бадаев К. В., Гектин Ю. М., Рыжаков А. В., Смелянский М. Б., Фролов А. Г. Многозональное сканирующее устройство малого разрешения МСУ-МР для космического информационного комплекса «Метеор-М». Принцип работы, эволюция, перспективы» // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. - 2015, Т. 2. -Вып. 4.

2. Патент № 2324151 РФ. G01J 3/06. Многоканальный радиометр с широким углом обзора; патентообладатели Акимов Н.П., Гектин Ю.М., Смелянский М.Б., Фролов А.Г.. Заявлено 11.09.2006. Опубликовано 10.05.2008.

3. Акимов Н.П., Гектин Ю.М., Смелянский М.Б., Фролов А.Г. ИК радиометры нового поколения на основе многоэлементных приемников излучения // Мехатроника, автоматизация, управление, приложение. - №5. - 2007.

4. А.В. Горбунов, И. Ю. Ильина, В. К. Саульский. Состояние и перспективы развития космических комплексов «Канопус-В» и «Метеор-М» // - Москва: «Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы». - 2015. - Т. 2. - Вып. 4.

5. Н.П. Акимов, К. В. Бадаев, Ю. М. Гектин, А. А. Зайцев, М. Б. Смелянский, А. В. Ры-жаков, А. Г. Фролов / Перспективный ИК радиометр для оперативного мониторинга техногенных и природных чрезвычайных ситуаций на территории России // Региональные проблемы дистанционного зондирования Земли: Материалы III Международной научной конференции, (Красноярск, 13-16 сентября 2016 г.).

6. Zhukov, B., Briess, K., Lorenz, E., Oertel, D., Skrbek, W. (2003) BIRD Detection and Analysis of High-temperature Events: First Results. // Proc. SPIE, 4886, 160-171.

© А. Ю. Ряднов, Р. В. Андреев, Ю. М. Гектин, Н. П. Акимов, А. Г. Фролов, Ю. Ю. Гулин, 2018