Наземные и полетные калибровки авиакосмической аппаратуры дистанционного зондирования Земли Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Наземные и полетные калибровки

авиакосмической аппаратуры

дистанционного зондирования Земли ,»53,3; 52.727

Борис Беляев,

завотделом аэрокосмических исследований Института прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко Бел госуниверситета, доктор физико-математических наук, профессор

Леонид Катковский,

завлабораторией

дистанционной

фотометрии

им. А.Н. Севченко БГУ, доктор физико-математических наук, доцент

Виктор Сосенко,

завлабораторией оптико-электронных систем ОАКИ НИИПФП им. А.Н. Севченко БГУ, кандидат технических наук

Юрий Беляев,

завлабораторией

оптико-физических

измерений

им. А.Н. Севченко БГУ, кандидат технических наук, доцент

Резюме. Представлены методы и средства наземной и полетной калибровок аппаратуры дистанционного зондирования Земли и валидации данных космических съемок. Описаны метрологические комплексы для высокоточного определения всех основных оптических и пространственно-угловых характеристик видеоспектральной аппаратуры для космических и авиационных платформ. Проанализированы варианты полетных калибровок. Приводятся примеры формирования каталогов спектральных данных и изображений тестовых объектов на трех подспутниковых полигонах.

Ключевые слова: калибровка, валидация, спектрально-энергетические и фотограмметрические калибровки, метрологический комплекс «Камея», АПК «Калибровка», фотоспектральная система, авиакосмическая аппаратура, подспутниковые полигоны, дистанционное зондирование Земли.

Оптоэлектронные системы, предназначенные для долговременного функционирования в условиях космического полета, требуют периодической проверки абсолютных радиометрических калибровок на борту носителя. Точная работа приборов на орбите и валидация данных космических съемок необходимы для эффективной эксплуатации космических аппаратов и полноценного использования информации. Без верификации и валидации невозможна сертификация продукции дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

Настройка спектральной аппаратуры во время орбитального полета - сложная задача, поскольку включает в себя технически трудную организацию синхронных многоуровневых измерений, процедуру атмосферной коррекции, обеспечение большим

объемом данных полигонных наземных измерений. Кроме того, такие натурные эксперименты требуют очень точных координатных привязок носителя, эталонных калибровочных участков, фиксации ориентации оптической оси спектрального прибора, а также временных синхронизаций.

Калибровка аппаратуры бывает наземная (предполетная) и полетная. Первая осуществляется в процессе изготовления приборов их разработчиками [1].

Наземные калибровки аппаратуры

В отделе аэрокосмических исследований НИИПФП им. А.Н. Севченко БГУ разработаны программы, методы и средства калибровки аппаратуры ДЗЗ; создан ряд метрологических

Рис. 1.

Метрологический комплекс «Камея»

Рис. 2.

Метрологический комплекс «Вектор»

комплексов для высокоточного определения всех основных оптических и пространственно-угловых характеристик видеоспектральной аппаратуры для космических и авиационных платформ.

Комплекс «Камея»

Комплекс «Камея» (рис. 1) предназначен для спектрально-энергетических калибровок аэрокосмических систем оптического дистанционного зондирования, для калибровки различных источников и приемников излучения в рабочем спектральном диапазоне от 0,35 до 2,5 мкм, а также для температурных калибровок теплови-зионной аппаратуры в диапазоне от 7 до 14 мкм [2, 3].

Метрологический комплекс «Камея» передает рабочим средствам измерения единицы относительных значений спектральной плотности энергетической

яркости (СПЭЯ) монохроматического излучателя, а также абсолютные значения СПЭЯ диффузного осветителя. Калибровка основана на поочередном сравнении монохроматического и диффузного (сплошного спектра) источников излучения с образцовым средством измерения (светоизмерительной лампой либо с эталонной фотометрической сферой) при помощи компаратора. По соотношению его сигналов от различных источников рассчитывается СПЭЯ каждого из них [3, 4].

Комплекс для калибровки пространственно-угловых характеристик систем наведения

Отдел аэрокосмических исследований НИИПФП им. А.Н. Севченко БГУ в течение ряда лет ведет работу по созданию научной аппаратуры оптического ДЗЗ, в том числе компактных видео-, фото- и спектральных систем, способных выполнять съемку с борта космических носителей. Некоторые приборы используются на борту международной космической станции [5, 6].

При регистрации спектральной и видеоинформации научной аппаратурой в оптическом диапазоне длин волн необходима точная привязка к местности, для чего важно знать максимально точное положение оптической оси прибора в момент съемки.

Метрологический комплекс «Вектор» предназначен для калибровки установочной плоскости систем наведения аэрокосмической аппаратуры оптического дистанционного зондирования по угловым перемещениям оси визирования приборов с точностью ±5" для углов прокачки ±30°. Комплекс выполнен по блочному принципу [7]. В его состав входят блоки автоколлиматора, поворотного зеркала и механического адаптера (рис. 2).

Необходимая высокая точность калибровки систем наведения (менее 10") выдвигает соответствующие требования к метрологическим характеристикам используемого оборудования, а также к ориентации всех элементов комплекса относительно друг друга. Их установка производится методом автоколлимации с помощью различных юсти-ровочных устройств. Рабочий диапазон измерений угловых величин от -30 до +30°, угловое разрешение при проведении измерений ±2 угловые секунды.

Комплекс фотограмметрических калибровок

Комплекс предназначен для проведения фотограмметрической калибровки съемочных систем, последующего расчета параметров внутреннего ориентирования съемочных систем

Рис. 3. Калибровочная камера комплекса

и определения параметров камеры (фокусного расстояния проецирующего объектива; главной точки оптической системы; дис-торсии; пространственного разрешения; функции передачи модуляции или частотно-контрастной характеристики) [8].

Система калибровочных маркеров располагается на стенах, полу и потолке калибровочной камеры. В ней пять вертикальных стоек, на них не менее двадцати маркеров (рис. 3). Впереди на верхней панели камеры на монтажном кронштейне закрепляются элементы системы освещения - лампы с отражателями.

Калибровочная камера (сцена) включает в себя набор мир различной геометрической формы и размеров, определенным образом размещенных по сцене и представляющих собой изображения, напечатанные принтером (рис. 4). На данном комплексе проводилась фотограмметрическая калибровка авиационного спектрозонального комплекса ДЗЗ «АВИС».

Полетные калибровки

Калибровка по Луне

Одним из вариантов полетных калибровок космической аппаратуры является съемка протяженных (Солнце, Луна) или точечных (планеты, звезды) объектов в зависимости от методик калибровки, характеристик приборов и объектов.

Для калибровки оптоэлек-тронных приборов ДЗЗ наиболее подходит Луна во время полнолуния. Уровень сигнала от лунного диска должен лежать в пределах динамического диапазона оптических модулей аппаратуры.

Эксперимент «Калибровка по Луне» с применением разработанной в НИИ ПФП им. А.Н. Сев-ченко БГУ фотоспектральной системы - ФСС (рис. 5а) был проведен на борту российского

сегмента МКС 8 февраля 2012 г. космонавтом А.А. Иваниши-ным. Во время эксперимента зарегистрировано 120 пар данных (изображение и соответствующий ему спектр высокого разрешения), из них было отобрано 50 пар, в которых лунный диск попал в поле зрения ФСС. Для автоматизации процесса поиска наилучшего решения было разработано специальное программное обеспечение, рабочее окно которого представлено на рис. 5б. В результате исследования удалось откалибровать каналы изображения и спектрометра по энергетике и точному взаимному расположению их оптических осей.

Аппаратура

для полетных калибровок

Аппаратно-программный комплекс (АПК)«Калибровка» предназначен для проведения полетных калибровок спутниковых съемочных систем, а также для испытаний и поверки новой техники ДЗЗ, математического планирования экспериментов, для верификации и повышения надежности дешифрирования информации путем интеграции данных космического, авиационного и наземного сегментов [9]. Кроме проведения измерений в стационарных наземных условиях (с рук и специальной треноги), спектральные приборы могут также использоваться для многоуровневых измерений при оснащении полигонов вышками либо с привлечением авиационных средств.

Показатели характеристик отражения наземных объектов регистрируются как в процессе синхронных и квазисинхронных со спутниковыми измерений, так и независимо. На основе полученных спектров отражения формируются специализированные базы данных, включающие калибровочные значения спектральной яркости (или коэффициентов спектральной яркости - КСЯ), с точным описанием параметров объектов в их различном динамическом состоянии и условий измерения спектров. Эти базы можно создать при целенаправленных исследованиях на подспутниковых полигонах. Такие изыскания также важны для испытаний и отработки АПК дистанционного зондирования в натурных условиях в целях достижения их максимальной надежности и точности измерений.

АПК «Калибровка» использует новые способы спектрометрии, такие как комплексирова-ние спектрорадиометров различных спектральных диапазонов, видеопривязка и регистрация

Рис. 4.

Миры камеры комплекса фотограмметрических калибровок

Рис. 5.

А) Фотоспектральная система ФСС, Б) окно программы обработки данных эксперимента с изображением диска Луны и соответствующими спектрами

Рис. 6.

Фотоспектро-радиометр ФСРАПК «Калибровка» и окно просмотра снятых спектров и изображений

изображений объекта с жесткой пространственной привязкой поля зрения спектрорадиометра к изображению, географическая привязка объектов, одновременная съемка спектров отражения подстилающей поверхности и освещающего излучения, регистрация спектрально-угловых зависимостей рассеянного в атмосфере излучения Солнца.

Комплекс прошел предварительные лабораторные испытания по фотометрическим характеристикам, количественно выражаемым в единицах СПЭЯ. Градуировка проведена на метрологическом комплексе «Камея» по образцовому средству измерений СПЭЯ некогерентного оптического излучения сплошного спектра в видимом и среднем ИК-диапа-зоне длин волн.

АПК состоит из пяти модулей:

■ фотоспектрорадиометр ФСР высокого разрешения на диапазон 400-900 нм, снабженный цифровой покадровой видеосистемой, с возможностью синтезировать изображения и спектры - предназначен для измерения спектральных отражательных характеристик всех типов природных поверхностей полигонов (тестовых площадок) в наземных условиях

и с борта авиационных носителей (рис. 6);

■ двухканальный модульный спектрорадиометр ДМС 400900 нм - для одновременного измерения яркости отраженного излучения от подстилающей поверхности и освещенности (потока) падающего излучения с верхней полусферы;

■ портативный модульный спек-трорадиометр на область 8001500 нм ПСР-700 - для измерения спектральных отражательных характеристик поверхностей;

■ портативный модульный спек-трорадиометр на область 12002500 нм ПСР-1300 - для измерения спектральных отражательных характеристик поверхностей;

■ сканирующий солнечный спек-трополяриметр на область 350950 нм ССП-600 - предназначен для измерения прямого солнечного и рассеянного атмосферой под различными углами излучения (рис. 7).

Первые четыре прибора используются для измерения спектральных характеристик отражения тестовых участков природных, искусственных и антропогенных объектов в наземных стационарных условиях, а также с вышек и подвижных средств.

На рис. 8 продемонстрированы приборы ДМС, ПСР-700 и ПСР-1300 АПК «Калибровка» в рабочем положении на треноге.

Наземные тестовые объекты

Подспутниковые полигоны- неотъемлемая часть инфраструктуры системы исследований земных покровов средствами космического базирования с целью валидации результатов наблюдений, калибровки аппаратуры, разработки методик хозяйственного применения данных ДЗЗ. Проблема полигонного обслуживания стоит остро во всем мире.

Калибровка датчиков целевой аппаратуры Белорусской космической системы дистанционного зондирования Земли (БКС ДЗЗ) и других аппаратов ДЗЗ, в том числе Российского «Канопус В», весьма актуальна, поскольку в период эксплуатации происходит естественный временной дрейф характеристик приборов, и это необходимо

учитывать. Широкое практическое использование требует стратегического обеспечения качества информации БКС ДЗЗ. Спектр возможностей дистанционного зондирования расширяется. Развивается и концепция сети подспутниковых полигонов как важнейшего сегмента наземной инфраструктуры уникальных космических исследований.

Рассмотрим, как формируются каталоги спектральных данных и изображений тестовых объектов трех полигонов: на базе учебно-географической станции «Западная Березина» географического факультета БГУ; Курского аэрокосмического полигона Института географии РАН; островов Курильской гряды.

Например, электронный каталог спектрально-временных характеристик отражения создается в рамках географических информационных систем на основе установленных связей тестовых участков полигона «Западная Березина» на карте с соответствующими объектами в базе данных, представленными как в табличном (текстовом виде, в формате «длина волны - значение СПЭЯ и КСЯ»), так и в графическом виде (изображения графиков). На рис. 9 показаны фрагмент содержащей объект карты, фотография объекта и графики спектров СПЭЯ и КСЯ тестовых участков, отнесенных к этому объекту. Название участка набрано на графике в виде аннотации.

На протяжении многих лет на Курском аэрокосмическом полигоне проводились крупнейшие международные подспутниковые эксперименты. Так, спектральные измерения с использованием АПК «Калибровка» и научно-технические исследования выполнялись с 16 по 18 июня 2015 г. в рамках научно-технической программы Союзного государства «Мониторинг-СГ», организаторы - Институт географии

РАН и НИИ космических систем имени А.А. Максимова Роскос-моса. В качестве объектов в основном были выбраны участки сельскохозяйственных культур, а также естественной растительности в Центральночерноземном заповеднике (рис. 10).

В августе 2015 г. в рамках полевых наземных испытаний АПК «Калибровка» проведены комплексные геолого-геофизические и геоэкологические исследования по обоснованию выбора тестовых участков на островах

,/ша

Курильской гряды [10]. В ходе реализации проекта были выполнены вулканологические, геоэкологические исследования и спектральные измерения на десяти островах Курильского архипелага: Итуруп, Уруп, Чирпой, Симушир, Янкича, Чиринко-тан, Шиашкотан, Онекотан, Ха-римкотан и Атласова. Широкая вариабильность ланшафтов и типов подстилающих поверхностей в геодинамически активном районе раскрыла представительный массив данных,

Л

Щ

{

р

> р ' ч г

[

у

Рис. 8. Приборы ДМС, ПСР-700 и ПСР-1300 АПК «Калибровка» в рабочем положении на треноге

Рис. 9.

Река Березина

Рис. 10. А - АПК «Калибровка», Б - спектры ячменного поля при различных условиях освещенности, снятые ПСР-700 17.06.2015 г.

Рис. 11.

ОстровЯнкича А - бухта Кратерная; Б - космический снимок острова с объектами съемок; В -СПЭЯ объектов съемки

характеризующих их предметно-специфические и спектральные признаки.

Была получена новая информация о современном состоянии действующих вулканов Курильских островов. В частности, изучены последствия извержений вулканов Сноу и Чиринкотан. При этом использовались приборы ФСР и ДМС, регистрирующие спектральную информацию

>

S

t I- V,

mW

щш

4

Л № Б . .

Ü

э

JW 9» 1» 11W 4W lim «Ч 1»И

пч

от различных наземных объектов и их фотоизображения.

Для примера на рис. 11 приведены изображения и спектры шести объектов о. Янкича. Остров высотой 401 м и диаметром 3 км, с кратерной бухтой диаметром 1 км, флора и растительность наиболее обеднены из-за небольшой величины и высоты суши, удаленности и изолированности проливами. Ближе всего расположенная растительность (4-5 м от термальных выходов) крупной сольфатарной площадки принадлежит шик-шево-дерново-разнотравному сообществу.

Многочисленные измерения спектров отражения и изображения типичных природных и некоторых искусственных объектов были обработаны, преобразованы в СПЭЯ и КСЯ, систематизированы и вошли в каталог спектральных характеристик тестовых объектов.

Таким образом, представленный в статье комплекс научной аппаратуры, включающий средства лабораторных спектрально-энергетических, угловых и фотограмметрических калибровок, а также АПК «Калибровка» для натурных полевых измерений, позволяет осуществлять определение полного набора параметров спектральной и видеоспектральной аппаратуры дистанционного зондирования, обеспечивать полетные калибровки спутниковых съемочных систем, формировать и обновлять базы данных спектральных отражательных характеристик объектов для верификации методик и решения тематических задач оптического дистанционного зондирования Земли. СИ

See: http://innosfera.by/2016/04/equipment_calibration

Литература

1. Беляев Б.И., Катковский Л.В., Сосенко В.А. Дистанционные методы и аппаратура для исследования Земли из космоса // Наука и инновации. 2013, №5 (123). С. 15-18.

2. Беляев Б.И., Беляев Ю.В., Залетный В.М., Катковский Л.В., Нестерович Э.И. Метрологический комплекс для аттестации спектрометрической и видеоспектральной аппаратуры «Камелия-М» / Приборы для научных исследований: Каталог приборов, комплексов, установок, разработанных по ГКНТ «Приборы для научных исследований» / под ред. В.С. Бура ко-ва.- Мн., 2006. С. 13-16.

3. Цикман И.М., Беляев Ю.В., Попков А.П. Методика радиометрической калибровки метрологического комплекса «Камея» // Приборостроение 2014: материалы 7-й Междунар. науч.- технич. конф., Минск, 19-21 ноября 2014 г. / О.К. Гусев [и др.].- Мн., 2014. С. 227-228.

4. Беляев Ю.В., Катковский Л.В., Крот Ю.А., Цикман И.М. Методики калибровок источников оптического излучения метрологического комплекса «Камелия-М» // Метрология-2009. Доклады Междунар. науч.- практ. конф. / под общ. ред. В.Н. Ко-решкова и др.- Мн., 2009. С. 199-203.

5. Летная отработка исследовательской аппаратуры «Фотоспектральная система» на борту Российского сегмента МКС / Б. И. Беляев [и др.] // Космическая техника и технологии. 2014, №1(4). С. 22-28.

6. Видеоспектральная система для мониторинга земной поверхности с борта МКС / Б.И. Беляев и др. // Шестой Белорусский космический конгресс: Материалы конгресса. В 2 т. (28-30 октября 2014 г., Минск).- Мн., 2014. Т. 1. С. 211-214.

7. Цикман И.М., Беляев Ю.В., Попков А.П. Калибровка пространственно-угловых характеристик систем наведения // Прикладные проблемы оптики, информатики, радиофизики и физики конденсированного состояния: материалы III Междунар. науч.- практ. конф., Минск, 28-29 февраля 2015 г. / редкол.: В.И. Попечиц [и др.].- Мн., 2015. С. 127-129.

8. Методы и средства геометрической калибровки аппаратуры дистанционной оптической диагностики / Ю.В. Беляев, Ю.А. Крот, С.И. Бручковская, А.В. Домарацкий А.П. Попков // Электронный ресурс: http://smiswww.iki.rssi.ru/d33_conf/ thesisshow.aspx?page=27&thesis=3495.

9. Разработка комплекса наземной спектральной аппаратуры для обеспечения полетных калибровок спутниковых съемочных систем / С.В. Абламейко, Б.И. Беляев, Л.В Катковский, В.А. Сосенко, О.О. Силюк // Шестой Белорусский космический конгресс: Материалы конгресса. В 2 т. (28-30 октября 2014 г., Минск).- Мн., 2014. Т. 1. С. 234-237.

10. Беляев Б.И., Катковский Л.В., Сосенко В.А., Беляев Ю.В., Иванов В.А., Орлов Д.С., Пасенюк А.А. Аппаратура и результаты наземных измерений спектральных отражательных характеристик подстилающих поверхностей на подспутниковых полигонах / Тринадцатая Всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Сборник тезисов докладов конференции // http://smiswww.iki.rssi.ru/d33_conf/mythesis.aspx?thesis=5120.