CC BY
153
ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ. ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 528.8 (15)
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ПОВЫШЕННОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ А.В. Демин, А.В. Денисов, И.А. Перл, А.А. Третьякова
Описан оптико-электронный комплекс дистанционного зондирования Земли с повышенной производительностью и эффективностью процесса дистанционного зондирования Земли.
Ключевые слова: оптико-электронный комплекс, дистанционное зондирование Земли, ФПЗС-линейка.
Введение
Исследования в интересах народного хозяйства и обороноспособности государства обеспечиваются оптико-электронными комплексами дистанционного зондирования поверхности Земли из космоса (ОЭКдзз), наряду с известными методами и средствами повышения эффективности управления научно-техническими и технологическими процессами, связанными с разнообразными направлениями. Находящиеся сегодня в эксплуатации коммерческие спутники первого поколения (Ikonos, Quick Bird и др.), оснащенные ОЭКд33, обеспечивают съемку поверхности Земли с пространственным разрешением не более 1 м и с точностью геопривязки изображений около 15-25 м без наземных контрольных точек [1]. На 53-м Международном конгрессе по астронавтике (Хьюстон, США, 2002 г.) Европейская промышленная корпорация представила космический аппарат (КА) с ОЭКд33 массой 980 кг (рис. 1), который обеспечивает на солнечно-синхронной орбите с высоты 695 км пространственное разрешение в надире 0,7 м с полосой захвата в 20 км в панхроматическом режиме съемки поверхности Земли и 2,8 м - в мультиспек-тральном (голубой, зеленый, красный и около ИК), производительность 30000 км2 за виток (летний сезон и снимки без облаков) и 3,5 Гб/с.
1
Опорная конструкция
антенн передачи и приема информации в р ад то д напазо не
Блок огггико-электронного пр еобразования ^оптической информации
С. сп неч ная j5a тар ея
Сию вые гироскопы Двигатель
Рис. 1. Космический аппарат с ОЭКдзз (Европейская промышленная корпорация)
На рис. 2 представлена обобщенная структурная схема оптико-электронного преобразователя (ОЭП). Объектив ОЭКдзз формирует изображение поверхности Земли на фотозоне, в поле которой расположены приемники. ОЭП состоит из множества чувствительных элементов - пикселей фотоприемника на основе прибора с зарядовой связью (ФПЗС) и представляет собой в зависимости от конструктивного его исполнения либо аналог растр-линейки, либо аналог растр-матрицы. Тем самым изображение после системы приема сигналов с пикселей фотозоны становится при соответствующей нормировке их цифровым образом, который потом преобразуется в соответствующий информационный пакет. Одной из особенностей работы ФПЗС является обеспечение требуемой экспозиции при съемке, которая определяется, помимо условий съемки, относительным отверстием объектива и временем снятия сигнала с пикселя, т.е. выполнением режима временной задержки и накопления, что приводит к необходимости «удержания» в поле зрения ОЭКдзз снимаемого участка поверхности Земли (тангажирования). В значительно меньшей степени выполнение алгоритма тангажирования требуется для ФПЗС-матрицы, чем для ФПЗС-линейки.
111
Фоточувствительные элементы ФПЗС (пиксели фотозоны ОЭП)
Система приема сигналов с пикселей
Блок функциональной алектроники ФПЗС
Функциональные блоки ОЭП
Рис. 2. Обобщенная структурная схема оптико-электронного преобразователя ОЭКдзз
Работа ОЭКдзз
Для работы ОЭКдзз в панхроматическом и мультиспектральном режиме съемки при реализации фотозоны на основе растр-линейки достаточно одной ФПЗС-линейки, в случае же реализации фотозоны на основе растр-матрицы потребуется пара ФПЗС-матриц. В работе рассмотрена возможность применения параллельно-последовательного алгоритма съема информации с ОЭП на основе ФПЗС-линейки для спутников с ОЭКдзз массой порядка 100 кг, обеспечивающих дистанционное зондирование поверхности Земли в панхроматическом и мультиспектральном режиме без пропусков участков.
Не умаляя общности соотношений, приведенных в работе [2], преобразуем их для случая движения ОЭКдзз с ОЭП на основе ФПЗС-линейки при наблюдении в надир относительно подспутниковой точки на поверхности Земли в плоскости орбиты без рыскания и крена, что представлено на рис. 3 и соотношениями (1).
ш,
СДИ - ОЭП
: ШПСТ - ОЭП - ШКА - танг - ОЭП ;
пр
/'
ШПСТ - ОЭП = ^ПСТ х а В + Ф) х —;
Бн
ш
КА - танг - ОЭП
: Шл
ПСТ - ОЭП
пр
-'танг (аВ )
Упст х С08(ав +Ф) _8
Б
н
тпр х У'
Б,
Ф = атс81п |——н— х 8т а в I; 'пп
8 х Бн
^Земли у 'х со8( а в +Ф)
7 2 2 2 ^ Земли - (КЗ емли + Н ) х 81п а
Земли
2а
танг в
(а в)
; = ^ПСТ х с08( а В +ф) х г скан - 2^Земли х Ф;
= '
Ш
ПСТ - ОЭП ^ В
(а В ).
Ш,
СДИ -ОЭП
ют(а в = 0) ют(ав * 0)
(1)
СДИ
В соотношениях (1) приняты следующие обозначения: ¥КА - линейная скорость движения КА; - скорость сдвига изображения в фотозоне ОЭП; УПСТ - линейная скорость подспутниковой точки; / - фокусное расстояние объектива ОЭКдЗЗ; Н - высота орбиты КА относительно подспутниковой точки; ШСдИ_оЭП - необходимая скорость движения изображения для обеспечения требуемой экспозиции при съемке; 5 - размер пикселя фотозоны ОЭП; ШКА-танг-ОЭП - скорость сдвига изображения в фотозоне ОЭП при тангажировании; хпр - необходимое время накопления сигнала на пикселе при съемке (свойство фотозоны); N - число шагов накопления (число повторения засветки пикселя для получения сигнала требуемого уровня); ютанг - угловая скорость тангажирования; 1ЬК и 2ЬК - величина 1-го и 2-го равных кадров; /ПП - проекция пикселя на поверхность Земли; - величина слепого (т.е. невидимого) участка поверхности Земли; ф! и ф2 - углы между радиусами Земли (ЛЗемли = 6371 км), проведенными через подспутниковую точку и точку визирования; аВ - угол визирования ОЭКдЗЗ.
Анализ результатов расчета параметров для ОЭКдЗЗ В таблице приведены результаты расчета параметров для ОЭКдЗЗ в соответствии с (1).
8
8
в
г
скан
I
К)
Рассчитываемые параметры Исходные данные ОЭКдЗЗ при наблюдении в надир: Н=575 км; /=1670 мм; ^ПСТ=6,948 км/с; Гпр=1,5х10-3 с; 5=5 мкм; КСдИнадир= 20,18 мм/с; Шсди-оэп=3,333 мм/с
ав= 0° ав= 10° ав= 20° ав=30°
Бн (ав), км 575 584 615,6 674
Ф (ав), град 0 0,91 1,894 3,03
Шпст-оэп, мм/с 20,18 19,51 17,489 14,433
^ 6,055 5,85 5,25 4,33
ШКА-танг-ОЭП, мм/с 16,847 16,177 14,156 11,1
Ктанг (авХ с 0,01009 0,00969 0,00848 0,00665
Z 1 1,041 1,19 1,52
гскан (аВ); с 0 34,88 69,77 104,65
V (ав), м 1,7 1,78 1,99 2,41
Ь8 (ав), км 0 40,1 63,83 53,71
Таблица. Расчет параметров для ОЭКдзз
Из анализа таблицы видно, что, если линейное разрешение на местности должно быть не более 2 м, то аВ должно быть не более 20°, а для того, чтобы выдержать необходимое условие экспонирования, необходимо обеспечить замедление скорости движения изображения в 6-5,25 раз. Это возможно только при выполнении тангажирования, т.е. удержание в поле зрения ОЭКдЗЗ с ОЭП на основе ФПЗС-линейки снимаемого участка Земли на время гскан (аВ). За время возвращении линии визирования в исходное положение для начала съемки следующего по трассе участка ОЭКдЗЗ пролетает участок длиной Ь8 (ав), который и является пропущенным в процессе дЗЗ. Полная информация о снимаемом участке поверхности Земли может быть получена при визировании его в течение времени гскан, что равнозначно ZW . для сокращения гскан, а соответственно и (аВ) разобьем ФПЗС-линейку на (ZW +1) участков и применим алгоритм параллельно-последовательного сканирования, т.е. на всех участках одновременно последовательно опрашиваются пиксели, что снижает время гскан в (ZW +1) раз.
Реализовать это можно, применив «волновой метод» снятия данных с ФПЗС-линейки [3]. Основная идея этого метода заключается в том, что данные снимаются не со всех пикселей одновременно, а выборочно, группами. Такой подход позволяет кардинально изменить структуру выходных данных, снимаемых с линейки. Пусть набор фотоприемных элементов ФПЗС-линейки разбит на группы длиной N элементов, тогда выборки, считываемые за один раз, будут содержать каждый ^ый, N+1, N+2 и т.д. элементы. Каждая группа элементов после того, как с нее будет снят заряд, будет снова переходить в режим накопления, но, так как снятие заряда происходит в разное время, то данные, накапливаемые в соседних ячейках, будут разнесены по времени. Рис. 4 показывает соотношение структур результирующих изображений, полученных классическим способом и с применением «волнового» метода. На рис. 5 приведен пример для N=3. Как видно из схемы, использование «волнового» метода позволяет получить информацию о снимаемых областях, которая раньше находилась между строчек изображения, полученного классическим способом. При этом количество точек результирующего изображения остается прежним, меняется только их расположение. Конфигурация пикселей может играть решающую роль в тех случаях, когда в области съемки оказываются узкие объекты, расположенные параллельно снимающей ФПЗС-линейке, например, реки и автострады. Если они окажутся пропущенными в процессе съемки, то их восстановление на основе имеющихся пикселей будет невозможно. Использование «волнового» метода дает на выходе не построчное изображение, а равномерное покрытие области съемки пикселями. Меньшее количество информации об отдельных «строчках» изображения классической съемки компенсируется данными о межстрочных участках.
□ — — — — □ □ □
□ — — — — — — — —
□ — — — — — — — —
□ — 1— — 1— — 1— — —
а б
Рис. 4. Структура изображения информации без использования «волнового» алгоритма съема (а) и с применением «волнового» алгоритма съема (б)
а б
Рис. 5. Результаты моделирования процесса съемки без использования «волнового» метода (а)
и с применением «волнового» метода (б)
Заключение
Таким образом, анализ состояния и тенденций развития ОЭКдзз позволяет сделать вывод, что смещение изображения в фотозоне у модернизированной линейки (без использования тангажного замедления) примерно такое же, как у классической линейки (с учетом тангажного замедления). Использование нового типа сенсора позволяет отказаться от операции тангажирования и дает возможность ведения маршрутной съемки, длительность трассы которой ограничена лишь объемами данных, которые можно передать наземным станциям.
Литература
1. Демин А.В., Денисов А.В., Летуновский А.В. Оптико-цифровые системы и комплексы космического назначения // Изв. вузов. Приборостроение. - 2010. - № 3. - С. 51-59.
2. Петрищев В.Ф. Оптимальная программа сканирования оптико-электронного телескопического комплекса дистанционного зондирования Земли // Труды Proceedings IIA. Международная академия информатизации. - М.: Зеленоград, 2003. - С. 26-38.
О.Ю. Лашманов, А.В. Пантюшин, А.Н. Тимофеев, С.Н. Ярышев
3. Демин А.В., Перл И.А. Волновой алгоритм для работы с линейкой ФПЗС // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2010. - № 3. - С. 19-25.
Демин Анатолий Владимирович
Денисов Андрей Васильевич Перл Иван Андреевич
Третьякова Анастасия Александровна
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, [email protected] ОАО «ЛОМО», аспирант, [email protected] Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, [email protected] ОАО «ЛОМО», аспирант, [email protected]
УДК 681.786
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СПЕКТРОЗОНАЛЬНОГО МЕТОДА ДЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ВОЗДУШНОГО ТРАКТА В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ
КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ О.Ю. Лашманов, А.В. Пантюшин, А.Н. Тимофеев, С.Н. Ярышев
Рассмотрены возможности использования оценок координат изображения излучающих реперных меток в синей,
зеленой и красной областях спектра на матричном приемнике, реализованном по шаблону Байера.
Ключевые слова: метод спектрозональный, система оптико-электронная, оценки координат изображений меток.
Введение
Существующие процедуры обследования технического состояния и экспертизы промышленной безопасности подавляющего большинства зданий и сооружений имеют нерегулярный характер, поэтому с целью предупреждения техногенных катастроф актуально применение распределенных оптико-электронных систем (РОЭС) долговременного и оперативного контроля пространственного положения элементов [1]. Для таких систем необходима возможность обеспечивать параллельные и независимые измерения смещений с погрешностью до 0,1 мм и высокой частотой обновления информации (до 10 кГц) для множества контрольных точек. РОЭС с многоэлементными фотоприемниками (МФП) имеют целый ряд преимуществ по сравнению с остальными методами измерения координат. Потенциальная точность для таких измерителей достигает 0,05 элемента от шага фотоприемной многоэлементной структуры [2]. К тому же комплексирование информации по длине волны оптического излучения в многоканальных РОЭИС с МФП [3] позволяет повысить эффективность работы проектируемых систем.
В современных РОЭС существенное влияние на процессы контроля оказывает среда распространения оптического излучения. Прежде всего, на величину погрешности измерений будут оказывать влияние такие явления в атмосфере, как рефракция и турбулентность воздушного тракта. Рефракция вызывает систематическое отклонение направления распространения оптического излучения, в основном, вследствие температурного градиента показателя преломления воздуха. Одним из способов уменьшения влияния рефракции является использование принципа спектрозональной селекции [4].
Наиболее доступным вариантом для реализации спектрозональной селекции является применение трехканального спектрозонального датчика, у которого каналы соответствуют трем основным цветам системы RGB. В результате такого выбора появляется возможность использования трех независимых спектрозональных каналов с единого фотоприемного матричного поля.
Таким образом, целью настоящей работы являлось изложение результатов исследований принципиальных возможностей и реализации спектрозонального метода для ослабления влияния воздушного тракта при контроле пространственного положения активных визирных марок РОЭИС с МФП.
Наиболее доступным вариантом для реализации спектрозональной селекции является применение трехканального спектрозонального датчика, у которого каналы соответствуют трем основным цветам системы RGB. В результате такого выбора появляется возможность использования трех независимых спектрозональных каналов с единого фотоприемного матричного поля. В связи с этим особенностями прикладных исследований являлась оценка характеристик РОЭС для случая реперных меток (РМ), реализованных в виде полупроводниковых излучающих диодов (ПИД) белого цвета.
Вследствие различного количества элементов матричного цветного фотоприемника с байеровским шаблоном для каждого спектрозонального канала требуются различные алгоритмы обработки малоразмерного изображения РМ.
Алгоритмы оценки координат изображений реперных меток при спектрозональных измерениях
В соответствии с расположением элементов байеровского шаблона для матричного фотоприемника синие элементы (пиксели) занимают нечетные номера элементов матричного поля и располагаются в
