CC BY
589
УДК 621.383 Г.Г. Горбунов
ФГУП «НПК "ГОИ им. СИ. Вавилова"», Санкт-Петербург В.Б. Шлишевский СГГ А, Новосибирск
О ВОЗМОЖНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРИИ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯСКРЫТЫХ ОБЪЕКТОВ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ
В настоящее время одним из стратегически важных и наиболее приоритетных направлений развития средств и методов видовой оптикоэлектронной разведки становится разработка и применение много- и гиперспектральных (МГС) систем, обеспечивающих получение высокодетальных изображений местности в относительно узких участках оптического диапазона спектра. Значимость работ, связанных с проектированием МГС-приборов, обусловлена качественно новыми информационными возможностями таких средств по сравнению с обычной оптической аппаратурой, построенной по традиционным схемам и предназначенной для получения панхроматических изображений.
Совершенствование технических средств и МГС-методов видового наблюдения является чрезвычайно актуальным в связи с высокой эффективностью их применения в целом ряде военных задач, среди которых следует выделить:
- Разведку и контроль заметности вооружения и военной техники в оптическом диапазоне спектра;
- Идентификацию объектов фоноцелевой обстановки в интересах коррекции полетных заданий высокоточного ракетного оружия;
- Оценку экологической обстановки в местах размещения и деятельности войск и военных объектов.
Именно поэтому в программах военных вооружений всех высокоразвитых стран после проведения военных операций США в Афганистане обязательно присутствуют разработки гиперспектральных спектровизоров (оптическое изображение исследуемой сцены в более чем сотни спектральных интервалов определенного спектрального диапазона), охватывающих не только уже испытанный диапазон 0,4...2,5 мкм, но и «атмосферные окна» в инфракрасной (ИК) области спектра - 3.5 и 8.12 мкм [1, 2].
При комплексном дешифрировании массива разноспектральных изображений замаскированных целей вероятности их обнаружения и распознавания существенно выше, чем при использовании обычных фотографических или телевизионных снимков. Во многих случаях МГС-данные могут явиться единственным источником информации, который позволит идентифицировать объекты, скрытые посредством применения маскирующих свойств местности или средств пассивной маскировки. По тонким различиям в спектральных характеристиках можно осуществлять
селекцию макетов, имитирующих военные объекты, а также оценить состояние вооружения и военной техники (например, старые и выведенные из строя образцы идентифицируют по спектральным аномалиям, связанным с наличием на поверхности окислов и вторичных соединений железа). Гиперспектральная съемка является одним из наиболее эффективных методов обнаружения заглубленных и обвалованных объектов (командных пунктов, блиндажей, ангаров и др.), а также минных полей и подземных коммуникаций транспорта и связи по причине существенного различия спектров отражения естественных и нарушенных антропогенным воздействием растительного, почвенного и снежного покровов.
В последние годы в США интенсивно развивается новый вид разведки -сигнатурной (Measurement and Signature Intelligence - MASINT), представляющей собой получение, интеграцию и комплексный анализ разведанных данных, поступающих с разных приборов наблюдения и измерения, установленных на воздушных, морских, наземных и космических платформах [3]. Сигнатурная разведка использует скрытые, ненаблюдаемые традиционными средствами излучения и продукты целей - так называемые «следы» (спектральные, химические, радиочастотные). Эти следы формируют характерные для каждого объекта сигнатуры, которые могут использоваться в качестве надежного отличительного признака, позволяющего получить представление о происходящих событиях, либо обнаружить скрытно расположенные цели. В системах MASINT активно используются средства спектральной радиометрии, имеющие много общего с разведывательной оптико-электронной и ИК аппаратурой. Однако в отличие от традиционных систем видовой разведки, аппаратура MASINT не собирает пространственные изображения, а извлекает только отличительные признаки целей, получая их характеристики в десятках, сотнях и даже тысячах различных спектральных интервалах. Особое внимание уделяется исследованию методов анализа и обработки аэрокосмических МГС-снимков, в том числе, созданию баз данных отличительных спектральных признаков практически всех объектов, имеющих военное значение. Организация разведки, ее управление и координация с другими ведомствами поручены специально созданному в 1997 г. Центральному Управлению по разведке MASINT - СМО (Central Measurement and Signature Intelligent Organization), которое входит в состав Разведуправления Министерства обороны США.
Чрезвычайно перспективным является применение МГС-средств дистанционного зондирования и в интересах военной экологии, особенно в задаче мониторинга объектов, вредное воздействие которых на окружающую среду проявляется в визуально не обнаруживаемых изменениях химического состава растительности, почв и воды [4]. При необходимости контроля экологической обстановки на больших по площади территориях, эффективность аэрокосмической МГС-съемки оценивается в десятки раз выше по сравнению с традиционными химико-аналитическими методами по показателям оперативности и стоимости работ. Особую актуальность данное направление применения МГС-средств наблюдения приобрело в настоящее
время в связи с необходимостью определения состояния природной среды в районах локальных военных конфликтов и оценки ущерба, нанесенного в результате действий войск и применения оружия.
Сочетание гиперспектральных изображений в различных спектральных интервалах, создающих изображения сцен с независимыми характеристиками пространственной, спектральной (и поляризационной) информацией, с высокоточной радиометрической калибровкой, одновременной коррекцией влияния параметров атмосферы на измерения, современными методами моделирования и анализа данных (сжатие, обработка на борту) позволяет считать видеоспектрометр наиболее совершенным прибором перспективных систем наблюдения. В первую очередь, это касается технологии ведения военной разведки и обеспечения целеуказания системам высокоточного оружия, а также отработки технологии обнаружения предприятий, производящих радиоактивные материалы и компоненты химического оружия. В гражданских целях могут изучаться выбросы сточных вод в реки и озера, утечки химических веществ, нефтяные разливы, остатки горных выработок, состояние растительности, вулканической активности и др. В частности, в «Концепции развития российской космической системы дистанционного зондирования Земли на период до 2025 года» в качестве одной из тенденций развития космических средств и технологий зондирования названо «... появление и расширение областей применения сверхмного-спектральных съемок (видеоспектрометрических, гиперспектральных) с числом каналов 256 и более» [5].
Следует отметить, что привычные методы определения корреляционных зависимостей имеющегося банка спектральных данных и зарегистрированной информации исследуемого видеоспектрометрического изображения сцены уже не могут быть реализованы из-за огромных объемов информации, требующих многочасовой работы мощных ЭВМ. Отсюда становится очевидной важность определения наиболее информативных участков зарегистрированных спектров, позволяющих значительно уменьшить число основных спектральных компонентов при их последующей идентификации, и методов сжатия спектральной информации при идентификации различных ансамблей.
Одним из основных элементов много- или гиперспектральных видеоспектрометров, безусловно, является элемент, производящий кодирование спектральной информации, т. е. собственно спектрометрический блок. Как правило, для этой цели используются дисперсионные (призменные и дифракционные) полихроматические системы. В то же время, одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений спектрального оптического приборостроения в мире является фурье-спектрометрия, представляющая собой продукт самых высоких технологий и сочетающая в себе прецизионную оптику и механику, высокоинформативную электронику и вычислительные устройства с оригинальными алгоритмами и программами управления и обработки. Обладая широкими возможностями двойного применения, фурье-спектрометры имеют вполне реальную инвестиционную
привлекательность, так как создают все необходимые условия получения прибыли за счет коммерческих продаж на рынке аналитических средств.
Известные преимущества фурье-спектрометров по сравнению с классическими спектральными приборами [6] стали еще более заметными при применении многоэлементных приемников, предопределивших возможность создания нового типа высокоэффективного прибора - фурье-спектровизора [7]. В комплексе к указанным преимуществам можно отнести:
- Большую светосилу (большой телесный угол, из которого может собираться исследуемое излучение при том же спектральном разрешении), что в некоторых случаях помогает установить интерферометр фурье-спектрометра
в сходящихся пучках выходного телескопа и тем самым исключить дополнительную фокусирующую оптику, необходимую перед щелью классического дисперсионного монохроматора;
- Одновременность регистрации всех спектральных интервалов (мультиплексность) на одном приемнике излучения, что не только значительно увеличивает отношение сигнал/шум в регистрируемом спектре, но и позволяет использовать обе координаты приемной матрицы для построения исследуемой сцены и применять алгоритмы уменьшения «смаза» и увеличения времени регистрации одиночной интерферограммы, а, следовательно, и отношения сигнал/шум;
- Точность привязки шкалы волновых чисел по одному внутреннему эталону, что значительно упрощает системы калибровок аппаратуры и увеличивает надежность идентификации исследуемых объектов;
- Большой диапазон реализуемых спектральных разрешений, определяемых только величиной реализованной разности хода в плечах интерферометра, что позволяет разработать видеоспектрометрическую аппаратуру, спектральное разрешение которой во время проведения эксперимента может изменяться по специальным программам, оптимизируя получаемую информацию определенных исследуемых сцен;
- Отсутствие переналожения дифракционных спектральных порядков и, следовательно, большую ширину регистрируемого спектра, определяемую только светопропусканием оптических деталей и чувствительностью приемника, что позволяет значительно сократить число разрабатываемых и запускаемых аппаратов;
- Наличие дополнительной информации, получаемой из фазового спектра, показывающей перемену направления излучения системы «источник-приемник» для каждой длины волны, что особенно важно в ик области спектра при работе с неохлаждаемыми приемниками, так как это позволяет внести коррекцию в спектры и повысить надежность получаемой информации;
- Возможность компенсации собственного излучения оптических деталей интерферометра за счет противофазности излучения деталей, устанавливаемых до и после светоделительного слоя;
- Получение дополнительной информации, извлекаемой из фазовых спектров, которую можно использовать для распознавания наличия излучающего точечного подвижного объекта (в его поле зрения) и определения направления движения;
- Определение направления на точечный излучающий объект с точностью не хуже одной десятой величины единичного пиксела приемника;
- Практически полное отсутствие влияния рассеянного света;
- Однозначность конструкторских и методических решений при построении приборов в очень широком спектральном диапазоне.
Исходя из вышеперечисленного, можно сделать вывод о целесообразности применения фурье-спектрометра с многоэлементным приемником в качестве кодирующего элемента гиперспектрального спектровизора [4]. При этом в пилотном проекте целесообразно начать разработку приборов для спектрального диапазона 0,4.. .1,1 мкм, в котором содержится многие спектральные особенности различных объектов, причем для выявления наиболее «информативных» длин волн для различных исследуемых сцен необходимо не менее 200 элементов спектрального разложения. Использование указанного диапазона поможет начать накопление спектральной базы данных исследуемых объектов, первоначально опираясь на имеющиеся панхроматические съемки.
Переход от традиционной многозональной съемки к гиперспектральной не только увеличивает количество информации, но обеспечивает качественно совершенно новый, уникальный характер данных гиперспектральной съемки. В России нет примеров систематического использования полевых видеоспектрометров, и возможность проведения серии первоначальных измерений, совместно с уже отработанными панхроматическими приборами, существенно ускорит отработку алгоритмов и программ обработки результатов измерений. Кроме того, для диапазона 0,4...1,1 мкм возможно использование широкой гаммы матричных высокочувствительных приемников с размерами матрицы, например 512*512, и более. Использование других спектральных диапазонов, увеличивающих наличие спектральных отличий, возможно после получения первоначальной базы спектральных данных и отработки высокочувствительных матричных приемников, не требующих глубокого охлаждения, значительно усложняющего аппаратуру.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Hardin R.W. Hyperspectral Imaging: How Mach is Hype? // Photonic Spectr. - 1997.
- № 7. - P. 82-92.
2. Aviation Week and Space Technology. - 2001, 16/IV. - V. 154. - № 16.
3. Jane’s Defence Weekly. - 2002, 24/IV. P. 6.
4. Использование видеоспектральной аэросъемки для экологического мониторинга / Б.В. Шилин, В.Н. Груздев, А.В. Марков, В.Н. Мочалов // Оптический журн. - 2001. - № 12. - С. 41-49.
5. Федеральное космическое агентство. «Концепция развития российской космической системы дистанционного зондирования Земли на период до 2025 года» [Электронный ресурс] - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.gisa.ru/file/file766.doc.
6. Вагин В.А. Светосильные спектральные приборы / В.А. Вагин, М.А. Гершун, Г.Н. Жижин, К.И. Тарасов. - М.: Наука, 1988. - 264 с.
7. Горбунов Г.Г. Новые применения фурье-спектрометров с многоэлементными приемниками / Г.Г. Горбунов, Д.Н. Еськов, Н.В. Рябова, А.К.Серегин // Оптический журн.
- 2005. - № 8. - С. 71-77.
© Г.Г. Горбунов, В.Б. Шлишевский, 2007
