CC BY
4УДК 621.396.967
ГРНТИ 78.27.49:33.31.20
ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНО ДОСТИЖИМОГО ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗРЕШЕНИЯ В ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ НАБЛЮДЕНИЯ
В.В. МИХАЙЛОВ
Управление начальника войск радиоэлектронной борьбы (г. Москва)
Рассмотрены потенциальные возможности достижимого пространственного разрешения в гиперспектральных системах наблюдения воздушного и космического базирования. На основе полуклассического подхода, описывающего процессы формирования изображений и их детектирования, заключающегося в том, что рассмотрение поля осуществляется с точки зрения волновой теории, а его взаимодействие с веществом в процессе детектирования -с квантовомеханических позиций, методами статистической теории обнаружения получены аналитические соотношения для оценки вероятности обнаружения объекта гиперспектральными системами наблюдения. Для оценки пространственного разрешения систем наблюдения введен обобщенный энергетический параметр, представляющий собой произведение времени накопления сигнала, площади входной оптики и спектрального разрешения. Пространственное разрешение систем наблюдения оценивается минимальным размером объекта, обнаруживаемого с требуемыми качественными показателями обнаружения, вероятностью правильного обнаружения и ложной тревоги. Установлено, что корпускулярно-волновая природа света ограничивает информационные возможности оптических систем наблюдения, обусловливая противоречие между пространственным и спектральным разрешением, описываемое соотношением обратной пропорциональности. Показано, что гиперспектральные системы наблюдения с высоким спектральным разрешением имеют весьма ограниченные возможности (по уровню освещенности и скорости обзора земной поверхности) по обнаружению малоразмерных объектов с отличающимися от фона спектральными характеристиками отражения. Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что проведенные оценки позволяют найти разумный компромисс между пространственным и спектральным разрешением в зависимости от задач, решаемых гиперспектральными системами наблюдения воздушного и космического базирования.
Ключевые слова: гиперспектральные системы наблюдения, пространственная разрешающая способность, спектральное разрешение, потенциально достижимые значения.
Введение. В настоящее время мониторинг земной поверхности является бурно развивающейся областью науки, имеющей многообразные практические применения. С развитием научно-технического прогресса, касающегося создания технических средств получения, регистрации, передачи и обработки изображений, происходит неуклонное расширение областей практического применения методов и средств дистанционного наблюдения. В последнее время созданы, постоянно совершенствуются и все более широко применяются так называемые гиперспектральные системы наблюдения, обладающие высоким пространственным и спектральным разрешением. Однако большое количество пространственных и спектральных каналов приводит к тому, что общий входной поток разделяется между ними. При этом энергия сигнала в каждом канале уменьшается и возникают трудности их выделения на фоне шумов. [1-4]. Причем в ряде работ [3, 4] отмечается возможность достижения в ГСН воздушного и космического базирования высокого пространственного разрешения. Повышение пространственного и спектрального разрешения
изображений безусловно повышает информационные возможности средств наблюдения (СН). Однако при большом количестве пространственных и спектральных каналов общий входной поток разделяется между ними. При этом энергия сигнала в каждом канале уменьшается, и возникают трудности выделения сигналов на фоне шумов. Например, снижение освещенности приводит к снижению цветоразличения зрения, и при яркости менее, чем 10 кд/м2 цветоразличение полностью исчезает. Это ограничивает возможность достижения в ГСН одновременно высокого спектрального и пространственного разрешения. В то же время оценки предельно достижимого спектрального и пространственного разрешения в СН воздушного и космического базирования в известной литературе отсутствуют.
Актуальность. Существующее с позиций корпускулярно-волновой природы света противоречие между пространственным и спектральным разрешением обусловливает необходимость оценки потенциально достижимого пространственного разрешения в гиперспектральных системах наблюдения воздушного и космического базирования. Особенно актуальной эта задача является для малоразмерных объектов, возможности по обнаружению которых в значительной степени зависят от уровня их освещенности и скорости обзора земной поверхности.
Цель статьи - оценка потенциально достижимого пространственного разрешения в гиперспектральных средствах наблюдения воздушного и космического базирования в различных условиях наблюдения.
Критерии и показатели. Пространственная разрешающая способность является одной из важнейших характеристик СН, определяющих качество решения многих практических задач. Поэтому вопросам определения критериев и показателей пространственного разрешения СН посвящена обширная литература [5-7].
Поскольку пространственное разрешение характеризуется [5, 6] размером наименьших объектов, различимых на изображении, то определение критериев и показателей пространственного разрешения СН практически связано с выбором тестового объекта и в установлении количественной меры оценки качества его наблюдения.
Так для оценки качества оптических телескопов весьма конструктивным является критерий Релея, характеризующийся минимальным угловым расстоянием между двумя точечными источниками, при котором их еще можно разрешить. Количественно возможность разрешения характеризуется двухгорбатостью изображения с провалом до уровня 0,7 [6]. Установление Джонсоном [8] связи качества решения задач по обнаружению и распознаванию объектов с различимостью тестовых мир с различной пространственной структурой способствовало применению их в качестве тестового объекта при оценке пространственного разрешения.
В настоящей статье пространственное разрешение СН оценивается минимальным размером объекта, обнаруживаемого с требуемыми качественными показателями обнаружения, вероятностью правильного обнаружения (Робн) и ложной тревоги (Рл.т.) [5]. При этом минимальная ширина спектрального канала, при которой обнаруживается объект с требуемыми показателями качества обнаружения, определяет предельное спектральное разрешение СН.
Метод и общий план решения задачи. Для решения задачи воспользуемся методами статистической теории обнаружения [5-7], а для описания процессов формирования изображений и их детектирования - полуклассическим подходом. Особенность полуклассического подхода состоит в том, что рассмотрение поля осуществляется с точки зрения волновой теории, а его взаимодействие с веществом в процессе детектирования -с квантовомеханических позиций [9].
Общая структура моделей, используемых при оценке потенциально достигаемого пространственного и спектрального разрешения оптических СН воздушного и космического базирования, включающая последовательно связанные модели излучения объекта и фона, процесса формирования изображений реальной сцены, модели и алгоритмы обработки и анализа изображений, а также модели принятия решений, приведена на рисунке 1.
Модели рассеянного излучения объекта и фона —► Модели процесса формирования —► Модели и алгоритмы обработки и анализа изображений Модели принятия информационных решений решения
изображений реальной сцены
Рисунок 1 - Модели оценки потенциально достижимого пространственного и спектрального разрешения СН
Статистические модели изображений. С учетом квантовомеханического характера процесса фотодетектирования исходной информацией для принятия решения о наличии объекта является фотоэлектронное поле, полученное в процессе фотодетектирования изображения реальной сцены. Известны различные статистические модели фотоэлектронных полей [9, 10]. С позиций решения задачи оценки потенциальных возможностей оптических СН далее воспользуемся пуассоновской моделью фотоэлектронных полей, которая имеет минимальную дисперсию флуктуаций фотоэлектронов [9]. При этом законы распределения фотоотсчетов п ,,
зарегистрированных , -ым фотодетектором, по гипотезам наличия (и ) и отсутствия (И0)
объекта имеют вид [7]:
Р (пу../И )=П%7" ехр {-Р,, ехр (-а,),
(1)
,е О0
(а Г
Р (п,1,.../Ио ЬП1," ехр (-а,),
У'еОо Пу
(2)
А, = ГЛ^Р ('' Пи ) > = ГЛТ^а ('• Пи ) > Л
Не
(3)
где А,, ■у - площадь и квантовая эффективность ,, -го элемента фотоприемника, Тн - интервал времени накопления сигнала, к - постоянная Планка, с - скорость света, Л - средняя длина волны, Iр и.. ), 1а й.. ) - интенсивность изображения по гипотезам Н1 и Н0 в момент
времени I в точках ,, фоточувствительной поверхности, Д, Д - области фоточувствительной
поверхности, занятые изображением объекта и фона соответственно.
Оптимальный алгоритм обнаружения. Под обнаружением понимается принятие решения о наличии объекта (в условиях, когда объект присутствует или нет). Теория статистических решений позволяет находить оптимальные алгоритмы принятия решений путем отыскания отношения правдоподобия
£ (п, > ^
Р («11,.../Ио )
(4)
И1
и сравнения его с порогом Ь 0. Поскольку эта процедура эквивалентна сравнению с порогом
любой монотонной функции от Ь (п,), то, логарифмируя (4) с учетом (1) и (2), получим структуру оптимального алгоритма обработки в виде
р >0
2 =Е П, 1П~ 20 .
(5)
У'еД
Качественные показатели обнаружения. Качественные показатели обнаружения Робн и Рл т определяются путем отыскания законов распределения отношения правдоподобия
Р | 1 и РI /н ' и вычисления
Робн = ] Р
2/Нху, Рл*=\ р[унс ^.
(6)
При малых значениях контраста изображения, когда выполняется условие
в р -а р -а
а, а,
Р,,
(7)
Робн и РЛТ. приближенно можно оценить по формуле [5]
Робн = Р [ д + Р-1 (Рл Т.)],
(8)
1 Х 2
где Р (х) = — Г /2й2 - функция Лапласа, Р - обратная функция, 2ж ^
—ад
обнаружения, квадрат которого равен
д - параметр
д2 =
ЕоА
(9)
где Пр - число элементов фоточувствительной поверхности, приходящихся на область Б1.
При рассмотрении потенциальных информационных возможностей СН полагаем, что размеры элементов фоточувствительной поверхности пренебрежимо малы, тогда для
вычисления д можно воспользоваться интегральным представлением
с)2 = ||сг(//)А:2 (//)с!и
(10)
А
где а(и) - интенсивность изображения в плоскости фоточувствительной поверхности (11).
Расчет интенсивности изображения. Вопросы моделирования процесса формирования изображений удаленных объектов в оптических СН к настоящему времени достаточно хорошо изучены. Наиболее широкое распространение получил подход, основанный на аппарате
оптических передаточных функций, в соответствии с которым интенсивность изображения 1а р (?/) выражается через интенсивность отраженного излучения реальной сцены 3а /7 (г) как [7]
н
ад
- j 2я—uv
1аА")=-л Jэ^Ы^У'f ^
J —ад
где (V) - пространственно-частотный спектр излучения реальной сцены .1 и (г) по гипотезам НА,Н0, у - пространственная частота,
(12)
где / - фокусное расстояние, Л - средняя длина волны, Я - дальность до объекта,
Е (/¡Ей) - результирующая оптическая передаточная функция среды и системы формирования
и обработки изображения.
Ввиду многозвенности реальных ОЭС и мультипликативной устойчивости гауссовских функций результирующую оптическую передаточную функцию, без учета рассеяния света в элементах оптических систем, можно представить в виде [7]
rs (ARv) = па2 ехр
(«ИГ
a
(13)
ся
где a - радиус входной оптики.
Расчетные соотношения для оценки пространственного разрешения. Учитывая монотонный характер функции Лапласа, связывающий качественные показатели обнаружения Робн и P т с параметром обнаружения q, качество обнаружения тестового объекта будем оценивать по величине q . Для упрощения расчетов считаем, что фон и объект имеют постоянную интенсивность (Jo6, J = const). Предполагается, что поверхность фона диффузно рассеивает падающее на него излучение Еф, то есть J^ = рфЕф / ж, где рф - коэффициент отражения фона.
В этом случае интенсивность изображения фона в соответствии с (11), с учетом (12) и (13), равна
Г -
a
I*(ll) = 1y^J<P=P<PjiEо-
(14)
Интенсивность изображения объекта достаточно просто рассчитать в случае, когда площадь объекта ( £об ) значительно превосходит площадь дифракционного пятна на местности
(Sд) (S^ » Sд), где
^=Л я2
na
(15)
Качественная иллюстрация этого случая приведена на рисунке 2.
На рисунке 2 показано, что в пределах спектра объекта пространственно-частотная
характеристика системы формирования изображений является постоянной и равной Т (0) .
Вычисление (10) с учетом этого приводит к выражению вида
ч2 = ^Ф ^ ^ 02, (16)
пс R
где 0 - параметр восприятия формы, который характеризует влияние конечной разрешающей способности ГСН на возможности обнаружения объекта, АД - спектральное разрешение ГСН.
Рисунок 2 - Качественное представление пространственного спектра равномерного фона (1), объекта (2), пространственно-частотной характеристики системы формирования изображений (3)
В общем случае вычисление параметра восприятия формы связано с громоздкими вычислениями [7]. Применительно к рассматриваемому тестовому объекту величина параметра восприятия формы приведена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Параметр восприятия (в(Щ) тестового объекта (квадрата) от числа разрешаемых элементов (Ы),
приходящихся на объект
Результаты оценки. Оценки размеров наименьших объектов, различимых на изображении, были проведены для средней длины волны Я= 0,55 мкм при различных уровнях освещенности наблюдаемой сцены. Известно, что освещенность земной поверхности в значительной степени зависит от зенитного расстояния Солнца и состояния атмосферы. Значения освещенности в дневных условиях варьируются от 80 до 1100 Вт/м2 [11]. Принималось, что объект, окрашенный краской зеленого цвета, имеет коэффициент отражения на длине волны 0,55 мкм равный 0,13, а фон (зеленая растительность) - 0,08 [12]. Требуемые значения информационных показателей Робн и Рл т задавались величиной квадрата параметра обнаружения, принятого равным 12 [5, 7].
Для оценки потенциального пространственного разрешения, достигаемого ГСН с различными техническими характеристиками, был введен обобщенный энергетический параметр системы О, представляющий собой произведение времени накопления сигнала, площади входной оптики и спектрального разрешения
О = Т па2 АЛ.
(17)
Оценки были проведены для двух значений величины О (Тп =10-4с, а = 4 мм, АЛ =1 нм) и (Тп =10-1с, а = 20 мм, АЛ =50 нм), то есть О = 5-10~18м3/с и О2 = 6,3-10~12 м3/с. Зависимости
величины пространственного разрешения ГСН от величины освещенности на местности при указанных параметрах энергетических коэффициентов для высот зондирования 100, 1000 и 10000 м приведены на рисунке 4.
0 200 400 600 800 1x10' а)
0,01 200 400 600 800 1x10'
б)
Рисунок 4 - Зависимость величины пространственного разрешения ГСН от величины освещенности на местности при О1 (а) и О2 (б) для высот: 100 м - 1; 1000 м - 2; 10000 м - 3
Из рисунка 4 видно, что введенный в рассмотрение энергетический параметр системы оказывает существенное влияние на потенциально достижимые возможности ГСН по пространственному разрешению наблюдаемых объектов. Так при малом времени наблюдения (зависящим от скорости полета летательного аппарата), сверхвысоком спектральном разрешении и малых размерах входной оптики даже при высоте наблюдения 100 м и при достаточном дневном освещении (800... 1000 Вт/м2) величина пространственного разрешения составляет всего 100 м (рисунок 4а). Естественно, что с увеличением высоты наблюдения (зондирования) эта величина возрастает в десятки раз. Гиперспектральная аппаратура с аналогичными параметрами может использоваться только для мониторинга крупноразмерных объектов, таких как лесные массивы, водоемы, сельхозугодия и др., то есть высокое спектральное разрешение за счет низкой энергетики в каждом спектральном канале приводит к низкой разрешающей способности по пространству.
Другая ситуация наблюдается при большом значении энергетического параметра ГСН. Здесь при увеличении времени наблюдения, значительных габаритах входной оптики и сравнительно низком спектральном разрешении, и при достаточно высоком освещении на местности величина пространственного разрешения, как видно из рисунка 4б, при высоте полета 100 м составляет уже 0,04 м и изменяется с увеличением высоты до 3,5 м. При низких уровнях освещенности (80.100 Вт/м2) пространственное разрешение ухудшается в 2,5 раза. Тем не менее, в этом случае обеспечивается обнаружение малоразмерных объектов, таких как
транспортная техника, объекты военного назначения и т. п. Высокая энергетика в каждом спектральном канале в таких ГСН обеспечивается также за счет невысокого спектрального разрешения.
Выводы. Проведена оценка потенциальных возможностей достижимого пространственного разрешения в гиперспектральных системах наблюдения воздушного и космического базирования. При проведении оценки использована статистическая теория обнаружения, с использованием которой оптимальный алгоритм обнаружения выполнен путем отыскания отношения правдоподобия. Описание процессов формирования изображений и их детектирования выполнено с использованием полуклассического подхода, особенность которого состоит в том, что рассмотрение поля осуществляется с точки зрения волновой теории, а его взаимодействие с веществом в процессе детектирования - с квантовомеханических позиций.
Получены расчетные соотношения для параметра обнаружения объекта, связывающего энергетические и пространственные характеристики СН с размером и контрастными характеристиками объекта. Для оценки пространственного разрешения СН введен обобщенный энергетический параметр, представляющий собой произведение времени накопления сигнала, площади входной оптики и спектрального разрешения.
Установлено, что при малом времени наблюдения, сверхвысоком спектральном разрешении и малых размерах входной оптики даже при высоте наблюдения 100 ми при достаточном дневном освещении величина пространственного разрешения составляет всего 100 м. Гиперспектральная аппаратура с аналогичными параметрами может использоваться только для мониторинга крупноразмерных объектов, таких как лесные массивы, водоемы, сельхозугодия и др., то есть высокое спектральное разрешение за счет низкой энергетики в каждом спектральном канале приводит к низкой разрешающей способности по пространству. При большом времени наблюдения значительных габаритах входной оптики и сравнительно низком спектральном разрешении при тех же уровнях освещенности и при такой же высоте наблюдения величина пространственного разрешения составляет уже 0,04 м.
Корпускулярно-волновая природа света ограничивает информационные возможности оптических систем наблюдения, обусловливая противоречие между пространственным и спектральным разрешением, описываемое соотношением обратной пропорциональности (16). Уровень ограничения на совместное достижение высокого пространственного и спектрального разрешения в ГСН воздушного и космического базирования зависит не только от технических характеристик ГСН (площади входной оптики, квантовой эффективности фотоприемника), но и от условий применения ГСН (освещенности, скорости обзора земной поверхности и контраста объектов наблюдения). ГСН с высоким спектральным разрешением имеют весьма ограниченные возможности (по уровню освещенности и скорости обзора земной поверхности) по обнаружению малоразмерных объектов с отличающимися от фона спектральными характеристиками отражения. Полученные результаты позволяют найти разумный компромисс между пространственным и спектральным разрешением в зависимости от задач, решаемых ГСН воздушного и космического базирования.
Дальнейшие исследования следует продолжить в направлении более широкого охвата условий (высоты наблюдения, состояния атмосферы, времени суток и др.) применения гиперспектральных средств наблюдения воздушного и космического базирования и с учетом совершенствования их энергетических и спектральных характеристик.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Балтер Б.М., Балтер Д.Б, Егоров В.В. Калинин А.П., Котцов В.А., Орлов А.Г., Родионов И.Д., Стальная М.В. Имитационное моделирование гиперспектральных изображений земной поверхности: методика и результаты // Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса. 2008. Вып. 5. Т. 1. С. 219-224.
2. Агринский М.В., Голицин А.В., Старцев В.В. Комплект комплекса гиперспектрального дистанционного зондирования земли с помощью БПЛА. Часть 2 // Фотоника. 2019. Т. 13. № 6. С. 564-568.
3. Шипко В.В., Самойлин Е.А., Бельский А.Б. О перспективах применения гиперспектральной аппаратуры в составе бортовых комплексов вертолетов военного и специального назначения // Воздушно-космические силы. Теория и практика. 2020. № 15. С. 209-221. [Электронный ресурс]. Режим доступа https://www.vva.mil.ru/ Izdaniay/VKS-teoriya-i-praktika (дата обращения 20.04.2024).
4. Бостынец И.П., Лопин В.И., Рогозин А.А., Тюрин Г.Л. Состояние и перспективы применения гиперспектральной аппаратуры для обнаружения и распознавания различных объектов // Вестник Воронежского государственного технического университета. Т. 16. № 4. 2020. С. 102-108.
5. Иванкин Е.Ф., Понькин В.А. Теоретические основы получения и защиты информации об объектах наблюдения. М.: Горячая линия Телеком, 2008. 448 с.
6. Красильников Н.Н. Теория передачи и восприятия изображений. Теория передачи изображений и ее приложения. М.: Радио и связь, 1986. 246 с.
7. Оптическая заметность летательных аппаратов / под ред. В.А. Понькина, Э.В. Петещенкова. Воронеж: «Научная книга», 2015. 553 с.
8. Ллойд Дж. Системы тепловидения / пер. с англ. М.: Мир, 1978. 415 с.
9. Перина Я. Когерентность света. М.: Мир, 1974. 355 с.
10. Курикша А.А. Квантовая оптика и оптическая локация. М.: Сов. радио, 1973. 184 с.
11. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 752 с.
12. Моделирование и оценка современных тепловизионных приборов / В.П. Иванов, В.И. Курт, В.А. Овсянников, В.Л. Филиппов. Казань: Отечество, 2006. 594 с.
REFERENCES
1. Balter B.M., Balter D.B, Egorov V.V. Kalinin A.P., Kotcov V.A., Orlov A.G., Rodionov I.D., Stal'naya M.V. Imitacionnoe modelirovanie giperspektral'nyh izobrazhenij zemnoj poverhnosti: metodika i rezul'taty // Sovremennye problemy distancionnogo zondirovaniya zemli iz kosmosa. 2008. Vyp. 5. T. 1. pp. 219-224.
2. Agrinskij M.V., Golicin A.V., Starcev V.V. Komplekt kompleksa giperspektral'nogo distancionnogo zondirovaniya zemli s pomosch'yu BPLA. Chast' 2 // Fotonika. 2019. T. 13. № 6. pp. 564-568.
3. Shipko V.V., Samojlin E.A., Bel'skij A.B. O perspektivah primeneniya giperspektral'noj apparatury v sostave bortovyh kompleksov vertoletov voennogo i special'nogo naznacheniya // Vozdushno-kosmicheskie sily. Teoriya i praktika. 2020. № 15. pp. 209-221. ['Elektronnyj resurs]. Rezhim dostupa https://www.vva.mil.ru/Izdaniay/VKS-teoriya-i-praktika (data obrascheniya 20.04.2024).
4. Bostynec I.P., Lopin V.I., Rogozin A.A., Tyurin G.L. Sostoyanie i perspektivy primeneniya giperspektral'noj apparatury dlya obnaruzheniya i raspoznovaniya razlichnyh ob'ektov // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. T. 16. № 4. 2020. pp. 102-108.
5. Ivankin E.F., Pon'kin V.A. Teoreticheskie osnovy polucheniya i zaschity informacii ob obektah nablyudeniya. M.: Goryachaya liniya Telekom, 2008. 448 p.
6. Krasil'nikov N.N. Teoriya peredachi i vospriyatiya izobrazhenij. Teoriya peredachi izobrazhenij i ee prilozheniya. M.: Radio i svyaz', 1986. 246 p.
7. Opticheskaya zametnost' letatel'nyh apparatov / pod red. V.A. Pon'kina, 'E.V. Peteschenkova. Voronezh: «Nauchnaya kniga», 2015. 553 p.
8. Llojd Dzh. Sistemy teplovideniya / per. s angl. M.: Mir, 1978. 415 p.
9. Perina Ya. Kogerentnost' sveta. M.: Mir, 1974. 355 p.
ы g'
и
10. Kuriksha A.A. Kvantovaya optika i opticheskaya lokaciya. M.: Sov. radio, 1973. 184 p.
11. Matveev L.T. Kurs obschej meteorologii. L.: Gidrometeoizdat, 1984. 752 p.
12. Modelirovanie i ocenka sovremennyh teplovizionnyh priborov / V.P. Ivanov, V.I. Kurt, V.A. Ovsyannikov, V.L. Filippov. Kazan': Otechestvo, 2006. 594 p.
© Михайлов В.В., 2024
Михайлов Вадим Валерьевич, заместитель начальника войск радиоэлектронной борьбы Вооруженных Сил Российской Федерации по вооружению и военно-научной работе, Управление начальника войск радиоэлектронной борьбы, Россия, 119160, г. Москва, Фрунзенская набережная, 22/2, [email protected].
g' и
UDC 621.396.967
GRNTI 78.27.49:33.31.20
ASSESSMENT OF POTENTIALLY ACHIEVABLE SPATIAL RESOLUTION IN
HYPERSPECTRAL SURVEILLANCE SYSTEMS
V.V. MIKHAILOV
Department of the Chief of the Electronic Warfare Troops (Moscow)
The potential possibilities of achievable spatial resolution in hyperspectral air- and space-based surveillance systems are considered. Based on a semi-classical approach describing the processes of image formation and their detection, which consists in considering the field from the point of view of wave theory, and its interaction with matter in the detection process from a quantum mechanical standpoint, analytical relations have been obtained by methods of statistical detection theory to assess the probability of detecting an object by hyperspectral observation systems. To assess the spatial resolution of surveillance systems, a generalized energy parameter is introduced, which is the product of the signal accumulation time, the area of the input optics and the spectral resolution. The spatial resolution of surveillance systems is estimated by the minimum size of the object detected with the required qualitative detection indicators, the probability of correct detection and false alarm. It is established that the corpuscular-wave nature of light limits the information capabilities of optical observation systems, causing a contradiction between spatial and spectral resolution, described by the inverse proportionality ratio. It is shown that hyperspectral observation systems with high spectral resolution have very limited capabilities (in terms of illumination level and viewing speed of the Earth's surface) to detect small-sized objects with spectral reflection characteristics different from the background. The practical significance of the results obtained lies in the fact that the assessments carried out make it possible to find a reasonable compromise between spatial and spectral resolution, depending on the tasks solved by hyperspectral air and space-based surveillance systems.
Keywords: hyperspectral surveillance systems, spatial resolution, spectral resolution, potentially achievable values.
