КООРДИНАТНО-ВРЕМЕННАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ СКАНЕРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЛИНЕЙКАМИ МАТРИЦ ПЗС
83
УДК 528.7; 528.711.1
В. Г. АНДРОНОВ, С. В. ДЕГТЯРЁВ, И. А. КЛОЧКОВ, Ю. Н. ВОЛОБУЕВ
КООРДИНАТНО-ВРЕМЕННАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ СКАНЕРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЛИНЕЙКАМИ МАТРИЦ ПЗС
Рассмотрен процесс формирования геометрической и фотометрической структуры космических сканерных изображений линейками матриц ПЗС, расположенными в шахматном порядке в фокальной плоскости съемочной аппаратуры. Получены координатно-временные зависимости, описывающие функциональную связь между порядковыми номерами пикселов цифрового космического сканерного изображения и топологическими параметрами элементов оптикоэлектронного преобразователя. Ключевые слова: космические сканерные изображения, матрицы ПЗС, оптико-электронный преобразователь, прямая фотограмметрическая задача.
В работе [1] представлены общая постановка и строгое решение орбитальным методом прямой фотограмметрической задачи для всех типов космических сканерных систем. Показано, что орбитальный метод основан на последовательном использовании двух моделей, а именно: общей геоорбитальной модели космической сканерной съемки и координатновременной модели формирования сканерного изображения конкретного типа. Аналитические соотношения, описывающие первую модель, приведены авторами в работе [2].
В настоящей статье представлена вторая модель, описывающая в каждый момент съемки переход от порядковых номеров пикселов маршрута космического сканерного изображения к топологическим параметрам элементов фоточувствительной структуры сканера и времени их формирования. При этом в качестве фоточувствительной структуры сканера рассматривается оптико-электронный преобразователь (ОЭП) на приборах с зарядовой связью (ПЗС), интегрированных в две линейки матриц ПЗС и работающих в режиме задержки и накопления зарядовых пакетов.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 9
84 В. Г. Андронов, С. В. Дегтярёв, И. А. Клочков, Ю. Н. Волобуев
Для увеличения полосы захвата сканера линейки ПЗС объединяются в два ряда матриц, причем нечетные матрицы расположены по направлению полета космического аппарата. Ка-
ждая матрица [3] с порядковым номером λ = 1,Λ содержит M столбцов и Р строк элементов
разложения (ПЗС), при этом последние и первые столбцы соответственно нечетного и четного рядов расположены на одной линии, т.е. матрицы размещены с перекрытием, а каждый ряд ПЗС-матриц функционирует в М-тактовом режиме накопления. Ряды матриц ПЗС с возрастанием порядковых номеров располагаются в фокальной плоскости сканера в шахматном порядке вдоль экспонирующей щели ОЭП. В рамках такой топологии ОЭП формирует две полосы изображений участков местности, примыкающих друг к другу в шахматном порядке. Каждая полоса изображения в каждом М-такте содержит М строк изображения. Изображения участков местности формируются при прохождении над этими участками ПЗС-элементов последних столбцов матриц. В этой связи последние столбцы с порядковым номером М в обоих рядах матриц ПЗС названы формирующими изображение краями ОЭП. Длительность одного такта формирования пиксела изображения описывается формулой τт = ∆lx /VПЗ , где VПЗ — скорость движения зарядовых пакетов по линейке ПЗС.
В системе координат Oxy фокальной плоскости под абсциссой x элемента фоточувст-
вительной структуры, формирующего в момент времени t изображение точки земной поверхности, понимается абсцисса xф.к формирующего края ОЭП, относящегося к матрицам
ПЗС либо четного, либо нечетного ряда. В работе [3] представлены формулы для математического описания перехода от координаты n пиксела изображения к ее значению yn в системе координат Oxy .
В одно и то же время относительно момента включения t0 сканера формируются две примыкающие друг к другу по оси Ox полосы сканерного изображения, причем смежные полосы изображений участков местности по оси Ox формируются в одинаковое время, а по оси Oy — в разное. При дальнейшей обработке изображений строки, смежные по оси Oy , при-
водят к единой составной строке, элементы которой имеют один и тот же порядковый номер
kλ =1, K . Поскольку формирование смежных участков изображения матрицами нечетного ряда осуществляется с задержкой на величину τλ , равную длительности одного М-такта, общая формула расчета времени формирования τk единых строк изображения различными рядами матриц ПЗС имеет следующий вид:
τk
= kλ
∆lx VПЗ
+ τλ ,
где
τλ
=
⎧0, если λn ⎨⎩∆lxM / VПЗ,
= 2ζ; если
ζ = 1, 2, 3, ...; λn = 2ζ +1; ζ
= 1,
2,
3,
....,
при этом порядковый номер матрицы ПЗС, содержащей элемент ПЗС с порядковым номером n , определяется по формуле
λn
=
⎪⎧E ⎨⎪⎩n /
[n
P,
/
P ]+
если
1, n
если = P,
n ≠ P;
где оператор Е и квадратные скобки означают операцию определения целой части числа.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 9
Координатно-временная модель формирования космических изображений
85
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андронов В. Г., Клочков И. А., Лазарева Е. В. Общая постановка и решение прямой фотограмметрической задачи для моноскопических космических изображений // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2009. Т. 7, № 4. С. 33—37.
2. Андронов В. Г., Дегтярёв С. В., Клочков И. А., Лазарева Е. В. Общая геоорбитальная модель космической сканерной съемки // Геоинформатика. 2010. № 1. С. 48—52.
3. Андронов В. Г., Дегтярёв С. В., Клочков И. А. Особенности формирования космических сканерных изображений линейками матриц ПЗС // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2010. Т. 8, № 7. С. 11—15.
Владимир Германович Андронов Сергей Викторович Дегтярёв
Иван Алексеевич Клочков Юрий Николаевич Волобуев
Сведения об авторах — канд. техн. наук, доцент; Юго-Западный государственный универси-
тет, кафедра телекоммуникаций, Курск; E-mail: vladiA58@yandex.ru — д-р техн. наук, профессор; Юго-Западный государственный универси-
тет, кафедра информационных систем и технологий, Курск; E-mail: ist.@kistu.kursk.ru — Юго-Западный государственный университет, кафедра телекоммуникаций, Курск; инженер; E-mail: strory2005@yandex.ru — ФГУП „Курский НИИ“ МО РФ; инженер; E-mail: mryura@bk.ru
Рекомендована кафедрой телекоммуникаций
Поступила в редакцию 17.06.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 9
УДК 528.7; 528.711.1
В. Г. АНДРОНОВ, С. В. ДЕГТЯРЁВ, И. А. КЛОЧКОВ, Ю. Н. ВОЛОБУЕВ
КООРДИНАТНО-ВРЕМЕННАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ СКАНЕРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЛИНЕЙКАМИ МАТРИЦ ПЗС
Рассмотрен процесс формирования геометрической и фотометрической структуры космических сканерных изображений линейками матриц ПЗС, расположенными в шахматном порядке в фокальной плоскости съемочной аппаратуры. Получены координатно-временные зависимости, описывающие функциональную связь между порядковыми номерами пикселов цифрового космического сканерного изображения и топологическими параметрами элементов оптикоэлектронного преобразователя. Ключевые слова: космические сканерные изображения, матрицы ПЗС, оптико-электронный преобразователь, прямая фотограмметрическая задача.
В работе [1] представлены общая постановка и строгое решение орбитальным методом прямой фотограмметрической задачи для всех типов космических сканерных систем. Показано, что орбитальный метод основан на последовательном использовании двух моделей, а именно: общей геоорбитальной модели космической сканерной съемки и координатновременной модели формирования сканерного изображения конкретного типа. Аналитические соотношения, описывающие первую модель, приведены авторами в работе [2].
В настоящей статье представлена вторая модель, описывающая в каждый момент съемки переход от порядковых номеров пикселов маршрута космического сканерного изображения к топологическим параметрам элементов фоточувствительной структуры сканера и времени их формирования. При этом в качестве фоточувствительной структуры сканера рассматривается оптико-электронный преобразователь (ОЭП) на приборах с зарядовой связью (ПЗС), интегрированных в две линейки матриц ПЗС и работающих в режиме задержки и накопления зарядовых пакетов.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 9
84 В. Г. Андронов, С. В. Дегтярёв, И. А. Клочков, Ю. Н. Волобуев
Для увеличения полосы захвата сканера линейки ПЗС объединяются в два ряда матриц, причем нечетные матрицы расположены по направлению полета космического аппарата. Ка-
ждая матрица [3] с порядковым номером λ = 1,Λ содержит M столбцов и Р строк элементов
разложения (ПЗС), при этом последние и первые столбцы соответственно нечетного и четного рядов расположены на одной линии, т.е. матрицы размещены с перекрытием, а каждый ряд ПЗС-матриц функционирует в М-тактовом режиме накопления. Ряды матриц ПЗС с возрастанием порядковых номеров располагаются в фокальной плоскости сканера в шахматном порядке вдоль экспонирующей щели ОЭП. В рамках такой топологии ОЭП формирует две полосы изображений участков местности, примыкающих друг к другу в шахматном порядке. Каждая полоса изображения в каждом М-такте содержит М строк изображения. Изображения участков местности формируются при прохождении над этими участками ПЗС-элементов последних столбцов матриц. В этой связи последние столбцы с порядковым номером М в обоих рядах матриц ПЗС названы формирующими изображение краями ОЭП. Длительность одного такта формирования пиксела изображения описывается формулой τт = ∆lx /VПЗ , где VПЗ — скорость движения зарядовых пакетов по линейке ПЗС.
В системе координат Oxy фокальной плоскости под абсциссой x элемента фоточувст-
вительной структуры, формирующего в момент времени t изображение точки земной поверхности, понимается абсцисса xф.к формирующего края ОЭП, относящегося к матрицам
ПЗС либо четного, либо нечетного ряда. В работе [3] представлены формулы для математического описания перехода от координаты n пиксела изображения к ее значению yn в системе координат Oxy .
В одно и то же время относительно момента включения t0 сканера формируются две примыкающие друг к другу по оси Ox полосы сканерного изображения, причем смежные полосы изображений участков местности по оси Ox формируются в одинаковое время, а по оси Oy — в разное. При дальнейшей обработке изображений строки, смежные по оси Oy , при-
водят к единой составной строке, элементы которой имеют один и тот же порядковый номер
kλ =1, K . Поскольку формирование смежных участков изображения матрицами нечетного ряда осуществляется с задержкой на величину τλ , равную длительности одного М-такта, общая формула расчета времени формирования τk единых строк изображения различными рядами матриц ПЗС имеет следующий вид:
τk
= kλ
∆lx VПЗ
+ τλ ,
где
τλ
=
⎧0, если λn ⎨⎩∆lxM / VПЗ,
= 2ζ; если
ζ = 1, 2, 3, ...; λn = 2ζ +1; ζ
= 1,
2,
3,
....,
при этом порядковый номер матрицы ПЗС, содержащей элемент ПЗС с порядковым номером n , определяется по формуле
λn
=
⎪⎧E ⎨⎪⎩n /
[n
P,
/
P ]+
если
1, n
если = P,
n ≠ P;
где оператор Е и квадратные скобки означают операцию определения целой части числа.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 9
Координатно-временная модель формирования космических изображений
85
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андронов В. Г., Клочков И. А., Лазарева Е. В. Общая постановка и решение прямой фотограмметрической задачи для моноскопических космических изображений // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2009. Т. 7, № 4. С. 33—37.
2. Андронов В. Г., Дегтярёв С. В., Клочков И. А., Лазарева Е. В. Общая геоорбитальная модель космической сканерной съемки // Геоинформатика. 2010. № 1. С. 48—52.
3. Андронов В. Г., Дегтярёв С. В., Клочков И. А. Особенности формирования космических сканерных изображений линейками матриц ПЗС // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2010. Т. 8, № 7. С. 11—15.
Владимир Германович Андронов Сергей Викторович Дегтярёв
Иван Алексеевич Клочков Юрий Николаевич Волобуев
Сведения об авторах — канд. техн. наук, доцент; Юго-Западный государственный универси-
тет, кафедра телекоммуникаций, Курск; E-mail: vladiA58@yandex.ru — д-р техн. наук, профессор; Юго-Западный государственный универси-
тет, кафедра информационных систем и технологий, Курск; E-mail: ist.@kistu.kursk.ru — Юго-Западный государственный университет, кафедра телекоммуникаций, Курск; инженер; E-mail: strory2005@yandex.ru — ФГУП „Курский НИИ“ МО РФ; инженер; E-mail: mryura@bk.ru
Рекомендована кафедрой телекоммуникаций
Поступила в редакцию 17.06.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 9