Например, Бобцов

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ПОВЫШЕННОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

А.В. Демин, А.В. Денисов, И.А. Перл, А.А. Третьякова
1 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 научнотехническими и технологическими процессами, связанными с разнообразными направлениями. Находящиеся сегодня в эксплуатации коммерческие спутники первого поколения (Ikonos, Quick Bird и др.), оснащенные ОЭКДЗЗ, 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 ОЭКДЗЗ 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 мультиспектральном (голубой, зеленый, красный и около ИК), производительность 30000 км2 за виток (летний сезон и снимки без облаков) и 3,5 Гб/с.

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.

Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 3 (73)

1

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ПОВЫШЕННОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

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).
2 VКА 1
B
B танг

LS
2LК 1LК
2 1

Земля

С  Рис. 3. Плоскость орбиты
2 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 3 (73)

А.В. Демин, А.В. Денисов, И.А. Перл, А.А. Третьякова

WСДИ ОЭП



 пр

 WПСТ ОЭП

 WКА  танг ОЭП ;

  

WПСТ ОЭП

 VПСТ



cos(  В



) 

f DH

;

  

WКА  танг ОЭП

 WПСТ ОЭП



 τ пр

;

  

 танг

(B )



VПСТ

 cos(  B DH



)



 пр 

f

; 

   





arcsin



DH RЗемли

 sin  B  ; lПП



  DH f   cos(  B  )

  

DH  ( RЗемли  H ) cos  B 

tскан



2 B танг (

B

)

;

LS

 VПСТ

RЗ2емли  ( RЗемли  Н )2  sin 2  B

  

 cos(  B  )  tскан  2 RЗемли  ;



ZW



WПСТ ОЭП ( В ) WСДИ ОЭП

;Z



T ( B T ( B

 0) .  0)

  

(1)

В соотношениях (1) приняты следующие обозначения: VКА – линейная скорость движения КА; VСДИ – скорость сдвига изображения в фотозоне ОЭП; VПСТ – линейная скорость подспутниковой точки; f ′ – фокусное расстояние объектива ОЭКДЗЗ; Н – высота орбиты КА относительно подспутниковой точки; WСДИ-ОЭП – необходимая скорость движения изображения для обеспечения требуемой экспозиции при съемке;  – размер пикселя фотозоны ОЭП; WКА-танг-ОЭП – скорость сдвига изображения в фотозоне ОЭП при тангажировании; пр – необходимое время накопления сигнала на пикселе при съемке (свойство фотозоны); N – число шагов накопления (число повторения засветки пикселя для получения сигнала тре-

буемого уровня); танг – угловая скорость тангажирования; 1LK и 2LK – величина 1-го и 2-го равных кадров; lПП – проекция пикселя на поверхность Земли; LS – величина слепого (т.е. невидимого) участка поверхности Земли; 1 и 2 – углы между радиусами Земли (RЗемли = 6371 км), проведенными через подспутниковую точку и точку визирования; В – угол визирования ОЭКДЗЗ.

Анализ результатов расчета параметров для ОЭКДЗЗ

В таблице приведены результаты расчета параметров для ОЭКДЗЗ в соответствии с (1).

Рассчитываемые параметры
DН (В), км  (В), град WПСТ-ОЭП, мм/с
W WКА-танг-ОЭП, мм/с
танг (B), с–1 
tскан (В), с lПП (В), м LS (В), км

Исходные данные ОЭКДЗЗ при наблюдении в надир: Н=575 км; f ′=1670 мм; VПСТ=6,948 км/с; tпр=1,5×10–3 с; =5 мкм; VСДИнадир= 20,18 мм/с;

WСДИ-ОЭП=3,333 мм/с

В= 0°

В= 10°

В= 20°

В=30°

575 584 615,6 674

0 0,91 1,894 3,03

20,18

19,51

17,489

14,433

6,055

5,85

5,25

4,33

16,847

16,177

14,156

11,1

0,01009

0,00969

0,00848

0,00665

1

1,041

1,19

1,52

0

34,88

69,77

104,65

1,7 1,78 1,99 2,41

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 В 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 tскан (В). За время возвращении линии визирования в исходное положение для начала съемки следующего по трассе участка ОЭКДЗЗ пролетает участок длиной LS (В), который и является пропущенным в процессе ДЗЗ. Полная информация о снимаемом участке поверхности Земли может быть получена при визировании его в течение времени tскан, что равнозначно W . Для сокращения tскан, а соответственно и LS (В) разобьем ФПЗС-линейку на (W +1) участков и применим алгоритм параллельно-последовательного сканирования, т.е. на всех участках одновременно последовательно опрашиваются пиксели, что снижает время tскан в (W +1) раз.

Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 3 (73)

3

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ПОВЫШЕННОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ 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 N-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 ФПЗСлинейке, 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.
аб Рис. 4. Структура изображения информации без использования «волнового» алгоритма съема (а)
и с применением «волнового» алгоритма съема (б)
аб
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 ком-
плекса дистанционного зондирования Земли // Труды Proceedings IIA. Международная академия информатизации. – М.: Зеленоград, 2003. – С. 26–38.
4 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 3 (73)

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, dav_60@mail.ru
– ОАО «ЛОМО», аспирант, www.denisoff@mail.ru – Санкт-Петербургский государственный университет информацион-
ных технологий, механики и оптики, аспирант, j-pearl@mail.ru – ОАО «ЛОМО», аспирант, tretyakovaa_17@mail.ru

Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 3 (73)

5