CC BY
159
УДК 621.383
ПРОЕКТ СОЗДАНИЯ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНОГО ФУРЬЕ-ВИДЕОСПЕКТРОМЕТРА ДЛЯ ЗАДАЧ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Георгий Георгиевич Горбунов
ОАО «Государственный оптический институт имени С. И. Вавилова», 199053, Россия, г. Санкт-Петербург, Кадетская линия В.О., 5, корпус 2, доктор технических наук, научный руководитель отделения, тел. (812)269-24-94, e-mail: [email protected]
Виктор Брунович Шлишевский
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры наносистем и оп-тотехники, тел. (383)343-91-11, e-mail: [email protected]
Обсуждаются возможности и проект создания новой высокоэффективной гиперспектральной аппаратуры для задач дистанционного зондирования.
Ключевые слова: дистанционное зондирование, космос, фурье-видеоспектрометр, сравнительные характеристики.
THE PROJECT OF CREATION OF HYPERSPECTRAL IMAGING FOURIER TRANSFORM SPECTROMETER FOR REMOTE SENSING
George G. Gorbunov
Federal State Unitary Enterprise Scientific and Industrial Corporation «Vavilov State Optical Institute», 199034, Russia, Saint Petersburg, 2, Birzhevaya line, Doctor of Technical Science, Research Head of Department, tel. (812)269-24-94, e-mail: [email protected]
Viktor B. Shlishevsky
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Doctor of Technical Science, Professor of Nanosystems and optical devices department, tel. (383)343-91-11, e-mail: [email protected]
Discussion of opportunities and new high hyperspectral facilities project for remote sensing
tasks.
Key words: remote sensing, space, imaging fourier transform spectrometer, comparative characteristics.
В последние годы резко повысился и интерес потребителей к получению дистанционными методами сведений, способных охарактеризовать наблюдаемые объекты с максимальной достоверностью. Начиная с конца 80-х годов прошлого века, наблюдается устойчивый рост объема продаж на международном рынке данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса, и ведущие космические державы, прежде всего США, с помощью космических аппаратов (КА) двойного назначения активно наращивают съемки различных районов земной поверхности в коммерческих и военных целях [1]. Благодаря доступности методов, средств обработки, интерпретации и распространения космической информации и вторичных продуктов ДЗЗ, собственные КА ДЗЗ ус-
пешно разрабатывают и другие страны, не относившиеся ранее к «космическим» [2].
Становление ДЗЗ как единого многодисциплинарного направления исследований в науке и технике обусловлено большой информативностью используемых методов, возможностью многоразового наблюдения за обширными территориями. ДЗЗ позволяет выявлять новые процессы и явления, происходящие на поверхности Земли, изучать их динамику, но при этом значительно сэкономить время и средства, заменив наземные измерения различных параметров среды. Согласно некоторым данным NASA, по общей динамике развития ДЗЗ вышло на второе место после телекоммуникационного сектора среди всех направлений авиационной и космической индустрии [3].
Многообразие и постоянное усложнение решаемых научных и прикладных задач в рамках ДЗЗ, необходимость проведения анализа характеристик (сигнатур) объектов на сложных двух- и трехмерных фоновых полях, изменяющихся во времени и в пространстве, требуют внедрения новых информационных технологий и дальнейшего улучшения важнейших характеристик соответствующей аппаратуры, к которым относятся: пороговая чувствительность, рабочий интервал спектра электромагнитного излучения (ширина спектральной области съемки), пространственное разрешение (линейное разрешение на местности), ширина полосы обзора и размах полосы захвата в ее пределах, радиометрическое разрешение (число различимых градаций яркости или энергетическая чувствительность), оперативность получения и доставки видовой информации потребителю и т. п. Разумеется, конкретные требования к перечисленным параметрам существенно меняются в зависимости от поставленной задачи и условий фоноцелевой обстановки.
Целью обсуждаемого проекта является создание научной и технологической базы для разработки и изготовления высокоэффективной оптико-электронной аппаратуры ДЗЗ, не имеющей в России аналогов - гиперспектральных фурье-видеоспектрометров (фурье-спектровизоров). Приборы этого типа включают в себя высокоточные оптические детали, просветляющие и светоде-лительные покрытия на широкую область спектра, прецизионную механику интерферометров, современные высокочувствительные малоинерционные матричные приемники излучения, специализированную высокоинформативную электронную аппаратуру управления и съема информации, разветвленную систему обработки данных [4-8].
Принципиально видеоспектрометры отличаются от аналогичных классических приборов спектрометрии и спектрорадиометрии тем, что помимо обычной спектральной информации - измерения спектральных коэффициентов яркости (СКЯ) - позволяют получать высококачественные панорамные изображения исследуемого объекта во многих различных спектральных интервалах. При этом они не интегрируют СКЯ со всей поверхности объекта, а обеспечивают поэлементную регистрацию СКЯ отдельными пикселами матричного фотоприемника (МФП), что делает их наиболее пригодными для ресурсно-сырьевого
картирования и выявления объектов повышенной техногенной опасности, но в первую очередь - для военных применений.
В частности, предлагаемая к разработке гиперспектральная аппаратура может быть использована в следующих видах вооружения и военной техники:
- в танках и бронемашинах для обнаружения закамуфлированной военной техники и живой силы противника, определения наличия отравляющих веществ по мере продвижения в потенциально опасные районы;
- на самолетах и беспилотных летательных аппаратах для обнаружения скрытых объектов и для наведения высокоточного оружия (ВТО);
- на малых КА для картографирования и составления разведывательных данных о размещении скрытых объектов.
Кроме того, она может оказаться полезной для целей оперативной, долговременной и полевой разведки.
К задачам, которые способны решаться при применении гиперспектральных фурье-спектровизоров, можно отнести:
- информационное обеспечение для ВТО (актуализация топоосновы, привязка сигнатур целей к топооснове);
- анализ фоноцелевой обстановки (предупреждение пусков ракет, идентификация движущихся целей);
- инженерная разведка (шахты ракет, блиндажи, газо- и нефтепроводы, электростанции, мосты, здания и сооружения);
- обнаружение замаскированных военно-технических средств (танки, машины, орудия, мины, ракетные установки и т. п.; идентификация сигнатур их выхлопных газов);
- тактическая разведка (разведка театра военных действий, обнаружение живой силы);
- химико-биологическая разведка (обнаружение и анализ зон химического и/или биологического поражения местности);
- военно-техническая инспекция (идентификация продуктов деятельности военно-промышленных предприятий и военных баз).
По основным техническим характеристикам предлагаемый к проработке макетный вариант фурье-спектровизора логично сравнить с гиперспектрометром, созданным специалистами НТЦ ОАО «Красногорский завод им. С. А. Зверева» и установленным на КА «Ресурс-П», запущенном в июне 2013 г. [9-11]:
Результаты сравнения свидетельствуют об убедительном превосходстве предлагаемого фурье-спектровизора абсолютно по всем параметрам.
Соединяя в себе высокоточную интерференционную оптику, прецизионную механику, требующие применения нанотехнологий матричные фотоприемники с максимальными частотами съема информации, вычислительную технику, способную посредством новейших алгоритмов быстро обрабатывать и передавать получаемые громадные объемы информации, фурье-спектровизор, по сути дела, является настоящим интегратором самых новейших высоких технологий. Следовательно, разработка подобной аппаратуры позволяет значительно повысить научную и технологическую базу тех организаций и предприятий, которые будут участвовать в ее освоении.
Основные Предлагаемый Гиперспектрометр
характеристики гиперспектрометр КА «Ресурс-П»
0,3 - 15,0 0,4 - 1,1 (разбит на три поддиапазона)
Рабочий спектральный диапазон, мкм (определяется чувствительностью МФП и разбивается на соответствующие поддиапазоны)
Число спектральных каналов до 1 000 96 - 216
Спектральное разрешение, нм до 1 5 - 10
Полоса захвата до 1 000 разрешаемых пикселов до 500 разрешаемых пикселов
Угловое разрешение от 2" до 5' 10"
Тип спектрометрического блока фурье-спектрометр призменный полихроматор
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Hardin R. W. Hyperspectral Imaging: How Mach is Hype? // Photonic Spectr. - 1997. - No 7. - P. 82-92.
2. Волошин В. И., Драновский В. И., Бушуев Э. И. Состояние, перспективы и проблемы рынка услуг дистанционного зондирования Земли из космоса. [Электронный ресурс]. URL: http://space.com.ua/gateway/news.nsf/NewsALLR/A0468E97CA4B2448C2256C2B004D341Alop en (дата обращения: 06.01.2015).
3. Dorado-Munoz L. P., Messinger D. W., Zieman A. Target Detection Using the Background Model from the Topological Anomaly Detection Algorithm // Proc. SPIE. - 2013. - Vol. 8743.
4. Горбунов Г. Г. Многоспектральная и гиперспектральная аппаратура, мировой уровень, состояние вопроса в России // Оптический вестник. - 2011. - № 132. - С. 5-6.
5. Горбунов Г. Г., Еськов Д. Н., Рябова Н. В., Серегин А. Г. Новые применения фурье-спектрометров с многоэлементными приемниками // Оптический журнал. - 2005. - Т. 72, № 8. - С. 71-77.
6. Горбунов Г. Г., Шлишевский В. Б. О возможности построения гиперспектральной аппаратуры на основе метода фурье-спектрометрии для обнаружения скрытых объектов в полевых условиях // ГЕО-Сибирь-2007. III Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 25-27 апреля 2007 г.). - Новосибирск: СГГА, 2007. Т. 4, ч. 1.- С. 74-79.
7. Афонин А. В., Горбунов Г. Г., Шлишевский В. Б. Видеоспектрометрическая аппаратура на основе метода фурье-спектрометрии для обнаружения малых газовых примесей в атмосфере // Оптика атмосферы и океана. - 2008. - Т. 21, № 9. - С. 823-826.
8. Горбунов Г. Г., Шлишевский В. Б. Статический фурье-спектрометр как основной элемент построения современного гиперспектрального видеоспектрометра // ГЕО-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). -Новосибирск: СГГА, 2009. Т. 4, ч. 1. - С. 87-88.
9. Архипов С. А., Линько В. М., Бакланов А. И. Гиперспектральная аппаратура для КА «Ресурс-П» и перспективы ее модернизации // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и ее роль в устойчивом социальном развитии общества». Самара, 2009. - С. 186.
10. Архипов С. А., Ляхов А. Ю., Тарасов А. П. Работы ОАО «Красногорский завод им. С. А. Зверева» по созданию гиперспектральных приборов дистанционного зондирования // Тезисы докладов научно-технической конференции «Гиперспектральные приборы и технологии». Красногорск, 2013. - С. 25-30.
11. Федеральное космическое агентство. «Космический аппарат «Ресурс-П» выдал первые тестовые снимки». [Электронный ресурс]. URL: http://www.federalspace.ru/19661/ (дата обращения: 24.12.2014).
© Г. Г. Горбунов, В. Б. Шлишевский, 2015
