Методы формирования и сжатия сложных видеооткликов в многоспектральных оптических сканерах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Фролов, Александр Георгиевич

• Фролов, Александр Георгиевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Фролов, Александр Георгиевич

Введение.

Глава 1 Анализ состояния проблемы повышения яркостного температурного) разрешения авиакосмических систем ДЗЗ.

1.1 Взаимозависимость параметров аэрокосмических систем ДЗЗ.

I ' ' '

1.2 Общемировые тенденции развития космического сегмента систем

ДЗЗ и видовой разведки.

1.3 Общемировые тенденции развития систем авиаразведки.

1А Анализ методов улучшения яркостного (температурного) разрешения аэрокосмических изображений.

1.5 Анализ тенденций развития фотоприемной аппаратуры для аэрокосмических систем ДЗЗ.

1.5.1 Выбор параметров объективов для оптических сканеров с одноэлементными или мозаичными фотодетекторами.

1.5.2 Мировые тенденции развития фотодетекторов.

1.5.3 Проблемы фотодетектирования в перспективных отечественных оптических сканерах.

1.6 Тенденции развития оптических модуляторов для систем обработки изображений.

1.7 Методы повышения энергетического потенциала PJIC посредством сжатия радиосигналов с большой базой.

1.7.1 Особенности сжатия сложных радиосигналов в моноимпульсном режиме приема.

1.7.2 Подавление боковых лепестков функции взаимной корреляции по

Н.И. Амиантову.

1.7.3 Многофазное кодирование. Дополнительные последовательности МДИ. Голея.

1.8 Перспективы создания прозрачных пленок с показателем преломления ниже 1,1.

1.9 Нелинейные преобразования амплитудных шкал в задачах стабилизации параметров шумов.

1.10 Принципы построения российских оптических сканеров.

Выводы к главе 1.

Глава 2 Новые методы повышения чувствительности оптических сканеров.'.

2.1 Статистическая интерпретация яркостей пикселов контраста изображения.

2.2 Теоретическое обоснование новых методов повышения яркостного (температурного) разрешения путем сжатия импульсного отклика ОЭС.

2.3 Метод расчета шумовых характеристик дисперсионных фильтров.

2.4 Нелинейная коррекция амплитудной шкалы при цифровой тематической обработке изображений.

Глава 3 Техническая реализация новых методов повышения яркостного разрешения оптических сканеров.

3.1 Оптические (растровые) методы формирования импульсного видеоотклика ОЭС.

3.2 Метод программируемого подавления боковых лепестков сжатого видеоотклика ОЭС.

3.3 Реализация режима временной задержки и накопления на матричном фотоприемном устройстве с использованием коммутируемых накапливающих конденсаторов.

Глава 4 Экспериментальные исследования метода улучшения яркостного разрешения оптических сканеров.

4.1 Виртуальное моделирование сжатия импульсного видеоотклика

ОЭС на базе «длинного» фотодетектора.

4.2 Аппаратное моделирование ОЭС на базе «длинного» фотоприемника.Ill

4.3 Натурные испытания макета тепловизора на базе «длинного» фотодетектора.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы формирования и сжатия сложных видеооткликов в многоспектральных оптических сканерах»

Прикладные задачи повышения качества изображений составляют важнейшее направление развития авиакосмических средств дистанционного зондирования Земли и планет (ДЗЗ/П), а также боевых авиакосмических комплексов разведывательного обеспечения войсковых подразделений и частей. Это связано с непрерывным усложнением задач селекции и оценивания параметров наземных объектов с незначительными яркостными (температурными, и в том числе, динамическими, инерционными), а также спектральными (цветовыми) отличиями в условиях пониженной освещенности, воздействия атмосферных факторов, мероприятий инженерно-технического противодействия и т.д.

Обработка изображений используется в физике, астрономии, метеорологии, климатологии, геологии, картографии, биологии, клинической медицине, криминалистике, дефектоскопии, неразрушающем мониторинге состояния воздушных, наземных и подводных объектов, при отслеживании перемещений караванов с грузами, туристов на маршруте и т.д. Не менее важна ее роль в отраслях оборонной промышленности, локации, связи и навигации, робототехнике, в решении многодисциплинарных проблем искусственного интеллекта (машинного зрения).

Обзор литературных данных [1.17] показал, что общемировые тенденции развития аэрокосмических средств ДЗЗ и разведки заключаются, в первую очередь, в необходимости снижения весов, габаритов, энергопотребления бортовых оптико-электронных систем формирования изображений. Ужесточаются требования к разрешающей способности аппаратуры: пространственной (угловой), спектральной (частотной), временной (динамической) и яркостной (амплитудной; контрастной, температурной, радиометрической). Показатели качества являются взаимозависимыми, а часто и определяемыми один через другого. Выигрыш в улучшении какого-либо из параметров, например, амплитудного разрешения, можно разменять на улучшение остальных параметров (пространственно-спектрального разрешения, полосы обзора и т.д.).

Для формирования изображений зарубежные фирмы предлагают огромную номенклатуру заказных одноэлементных, многоэлементных линейных и мозаичных фотоприемников как для систем ультрафиолетового, видимого, так и инфракрасного диапазонов, часто со встроенными подсистемами охлаждения и первичной обработки сигналов. Они отличаются повышенными значениями квантовой эффективности, обнаружительной способности, низким уровнем внутренних шумов. Многие из них работают в режиме TDI {time delay & integration, по-русски, в режиме ВЗН — временной задержки и накопления), который служит для улучшения яркостного (температурного) разрешения системы формирования изображений.

Основные проблемы, возникающие при создании бортовых оптических сканеров с повышенным яркостным (температурным) разрешением для перспективных отечественных малогабаритных аэрокосмических систем ДЗЗ, состоят в скудности, дороговизне, пониженных надежности и воспроизводимости параметров отечественной базы высокотехнологичных ЭРИ и высокоселективных фотоприемных устройств, особенно, в инфракрасной области спектра. На поставку зарубежных образцов, в особенности охлаждаемых фотоприемных устройств ИК-диапазона, отвечающих стандартам работы в открытом космосе, Military Space, требуется разрешение правительственных органов соответствующих государств. Нельзя недооценивать опасность скрытного использования в высокотехнологичных зарубежных изделиях, особенно, микропроцессорных, средств электронного взлома, инициируемых автономно или дистанционно, извне.

Технология производства одноэлементных фотоприемников (ФЭУ, обычных и лавинных фотодиодов, фоторезисторов) в России отработана существенно лучше, чем соответствующие технологии производства линеек и мозаик фотодетекторов. Многолетний опыт эксплуатации разработанных в ФГУП РНИИ КП космических оптических сканеров с построчной разверткой серий МСУ-СК, МСУ-МР, МСУ-М, МСУ-В, Термоскан, АГРОС, построенных на базе одноэлементных фотоприемников, показал, что их возможности не использованы полностью - необходим лишь поиск резервов аппаратуры и новых методов обработки оптических сигналов. С космическими оптическими сканерами, построенными на базе одноэлементных фотодетекторов, связаны основные отечественные достижения в дальнем космосе — получение снимков Луны, Венеры, Марса. Модернизация сканера представляется отечественным специалистам более целесообразной, чем создание нового типа прибора.

Разработка концепций построения малогабаритных бортовых оптических сканеров с повышенным яркостным (температурным) разрешением на базе одноэлементных фотодетекторов для перспективных отечественных аэрокосмических систем ДЗЗ является актуальной научно-технической проблемой, соответствующей как общемировым тенденциям развития аналогичных средств в передовых зарубежных странах, так и уровню развития техники ДЗЗ в России.

Из-за отсутствия однозначности по терминологии оптико-электронных датчиков аэрокосмического базирования для систем ДЗЗ можно воспользоваться определением сканера [22, стр. 14], где сказано, что сканер измеряющий с заданной точностью количество излучения, создаваемого или отражаемого природными объектами в заданных спектральных диапазонах, можно именовать радиометром. Достаточно полный перечень терминов и определений по данной тематике представлен в [88].

Тема диссертации методы формирования и сжатия сложных видеооткликов в многоспектральных оптических сканерах.

Цель диссертации состоит в разработке новых методов многократного повышения чувствительности оптических сканеров с построчной разверткой для аэрокосмических систем ДЗЗ на базе одноэлементных фотоприемников. Для достижения этой цели в диссертации поставлены и решены следующие научно-технические задачи.

Задачи исследования

1. Разработать новую идеологию построения многоспектральных оптико-механических сканеров с построчной разверткой на базе использования одноэлементных фотоприемников с улучшенным яркостным (температурным) разрешением. В качестве прототипов использовать находящиеся в эксплуатации разработки ФГУП РНИИ КП.

2. С целью многократного улучшения яркостного разрешения исследовать возможность применения «длинного» одноэлементного прямоугольного фотоприемника с размерами (Ъх х by), Ъх » Ьу, причем с целью увеличения длительности наблюдения наземных объектов длинная сторона Ъх этого фотоприемника должна быть ориентирована вдоль строки Ох сканирования изображения мгновенным угловым полем.

3. Разработать новый метод улучшения яркостного (температурного) разрешения вдоль строк за счет накопления всей энергии сигнала, поступившего в поле (Ьх х by) от элемента разрешения изображения, в одном синтезированном пикселе с размерами (Ъу х Ъу). Этот выигрыш в отношении сигнал-шум должен быть получен за счет последетекторного сжатия огибающей некогерентных видеосигналов с большой базой. По эффективности новая процедура должна быть эквивалентна известному использованию многоэлементной линейки, работающей в режиме ВЗН.

4. Разработать новый метод сжатия асинхронных сложных видеосигналов, отличающихся либо аномально малым уровнем боковых лепестков (существенно меньшим, чем В'ш, где В= Ьх / Ъу — база сигнала), либо теоретически их полным отсутствием.

5. Разработать метод построения многоспектральных оптико-механических сканеров с построчной разверткой на базе одноэлементного фотоприемника с целью минимизации неблагоприятного влияния зонной характеристики фоточувствительности фотоприемника.

6. Исследовать возможности минимизации потерь яркостного (температурного) разрешения многоспектральных оптико-механических сканеров с построчной разверткой, содержащего одноэлементный фотоприемник, которые вызваны шумами дискретизации при аналогово-цифровом преобразовании видеоинформации.

7. Провести оценку эффективности предложенных методов повышения яр-костного (температурного) разрешения многоспектральных оптико-механических сканеров с построчной разверткой, содержащих в каждом спектральном канале «длинный» одноэлементный фотоприемник. 9. Провести программно-аппаратурные испытания лабораторного макета многоспектрального оптико-механического сканера с построчной разверткой, построенного по разработанной автором идеологии, в рамках НИОКР «Аг-рос» и «Костер».

Методологическая и теоретическая основы исследований

При выполнении диссертации использовались методы теории и технологии создания бортовой аэрокосмической аппаратуры дистанционного зондирования Земли; методы аналоговой и цифровой, бортовой и камеральной обработки аэрокосмических изображений; теория радиотехнических цепей и сигналов; статистическая теория радиолокационного наблюдения; методы компьютерного моделирования и анализа радиотехнических и электрических схем, а также натурное моделирование.

При подготовке диссертации были использованы труды российских ученых: А.С. Селиванова, М.К. Нараевой, М.В. Новикова, Ю.М. Гектина (ФГУП РНИИ космического приборостроения); В. В. Еремеева, А. Е. Кузнецова (РГРТА); Я. JI. Зимана, Г. А. Аванесова (ИКИ); В. Н. Палевина, О. В. Копелевича (институт окенографии); В. В. Асмуса (НПО Планета); Ю. В. Трифонова (ВНИИ ЭМ); Н. А. Арманда, Ю. Г. Тищенко (ИРЭ РАН); В.И. Карасева, А.И.Бакланова (ФГУП Hi Ш «ОПТЭКС»), а таюке профессоров А.С. Елизаренко, Ю.Г. Якушенкова, J1.3. Криксунова, М.М. Мирошникова. Были использованы рекомендации иностранных специалистов в области

ДЗЗ/П и обработки изображений: Д.А. Лендгриба, P.M. Харалика, М. Скол-ника, Р. Хадсона, Р. Гонсалеса, Р. Вудса, Ш.М. Дейвиса, У.К. Претта, А.К. Джайна, А.В. Опенхайма, Г. Эйндрюса, Э. Розенфельда, и др.

Научная новизна исследований

1. С целью многократного повышения яркостной (температурной) разрешающей способности многоспектральных оптико-механических сканеров с построчной разверткой - предложен и теоретически обоснован новый метод построения вышеупомянутых сканеров, отличающихся от известных использованием «длинных» одноэлементных фотодетекторов, вытянутых вдоль строки в В раз по сравнению с их поперечным размером, В» 1.

2. Разработан новый метод преддетекторного преобразования простой огибающей видеоотклика ОЭС с длинным фотоприемником в видеоотклик с большой базой за счет оптической или оптико-электронной пространственной (растровой) модуляции оптических сигналов изображений, формируемых сканером по п. 1.

3. Разработан новый метод повышения яркостного (температурного) разрешения аэрокосмических изображений в В раз за счет взвешенного суммирования разнесенных во времени автокорреляционных или взаимно-корреляционных функций (АКФ, ВКФ) сложного видеоотклика ОЭС сканера по п. 1.

4. Разработан новый метод повышения яркостного (температурного) разрешения многоспектральных оптико-механических сканеров по п. 1 в В раз за счет дополнительного подавления боковых лепестков АКФ (ВКФ) сложного видеоотклика ОЭС путем двухканального формирования условно «положительных» и «отрицательных» дискретов этого видеоотклика и выделения компенсирующего одиночного дискрета кода или их малоимпульсной последовательности.

5. Предложен новый метод инженерного расчета параметров шумов на выходах формирователей АКФ (ВКФ) сложных усеченных последовательностей, позволяющий доказать их некоррелированность на соседних пикселах синтезированного изображения.

6. Предложен новый алгоритм для вычислений количества статистически разрешаемых градаций яркости изображений с учетом воздействия оптических (классического и квантового), а также внутренних шумов аппаратуры, многоспектральных оптико-механических сканеров, позволяющий определить форму амплитудной характеристики усилителя, который следует установить перед АЦП.

Практическая значимость диссертации

Диссертация была выполнена в соответствии с планами НИОКР предприятия ФГУП РНИИ КП, г. Москва, в рамках федеральной космической программы по темам «ЭЛЕКТРО-Л», «МЕТЕОР-М», «СПОЛОХ» и «КОСТЕР», что нашло свое отражение в итоговых отчетах по упомянутым НИР'ам. Разработанные автором диссертации методы повышения чувствительности многоспектральных оптических сканеров для нового поколения космических систем ДЗЗ при соответствующем государственном финансировании получили дальнейшее развитие и воплощение во вновь открытой научно-исследовательской работе с названием темы «Технологии повышения разрешающей способности сканирующих радиометров для аэрокосмических систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ)» (шифр ВОССТАНОВЛЕНИЕ).

Диссертация имеет большое учебно-методическое значение, так как в ней методы обработки оптических и радиосигналов использованы для нового применения — повышения яркостного (температурного) разрешения многоспектральных оптических сканеров для аэрокосмических систем ДЗЗ народно-хозяйственного и оборонного назначения. В частности, задействованы радиотехнические методы кодирования и сжатия сложных видеосигналов, оптимизированы схемы построения оптико-электронной аппаратуры ДЗЗ.

Перечень научных положений, выносимых на защиту

1. Теоретическое обоснование метода сжатия сложного импульсного видеоотклика оптико-электронной системы (ОЭС) оптического сканера с построчной разверткой.

2. Теоретическое обоснование метода взвешенного суммирования разнесенных во времени автокорреляционных или взаимно-корреляционных функций (АКФ; ВКФ) сложного импульсного видеоотклика ОЭС оптического сканера.

3. Алгоритмы одноканалъного формирования сложного импульсного видеоотклика ОЭС для подавления боковых лепестков АКФ (ВКФ) видеоотклика.

4. Алгоритмы двухканального формирования сложного импульсного видеоотклика ОЭС с выделением дискрета или их малоимпульсных последовательностей для подавления боковых лепестков АКФ (ВКФ) видеоотклика.

5. Методы инженерного расчета параметров шумов на выходах формирователей АКФ (ВКФ).

6. Алгоритмы аналоговой нелинейной коррекции амплитудной шкалы предварительных видеоусилителей при цифровой тематической обработке аэрокосмических изображений.

Апробация результатов диссертации

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Воробьев В.И., Гектин Ю.М., Гуськов А.В., Фролов А. Г., Нелинейная коррекция амплитудной шкалы при цифровой тематической обработке изображений - М.: Вестник МЭИ, Изд. МЭИ, №1, 2003, С.84-88.

2. Акимов Н. П., Гектин Ю. М., Смелянский М. Б., Фролов А. Г. «ИК-радиометры нового поколения на основе многоэлементных приемников излучения» - М.: Мехатроника, автоматизация, управление №5, 2007. Приложение, Изд. «Новые технологии», С.2 — 5.

По результатам диссертации сделано восемь докладов на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в МЭИ (ТУ) в период с 2003 по 2006 г.г., а также три доклада на научно-технических конференциях ФГУП «РНИИ КП» в период с 2003 по 2007 г.г.

При проведении НИР и ОКР на предприятии ФГУП РНИИ КП по темам, «СПОЛОХ» и «КОСТЕР» проведены натурные испытания вновь разработанной тепловизионной съемочной аппаратуры с учетом рекомендаций автора диссертации и выпущены итоговые отчеты [47, 51].

Подана в соавторстве заявка на изобретение с названием «Многоканальный сканирующий радиометр с широкой полосой обзора» [52].

Структура диссертации

Диссертация состоит из аннотации, введения, четырех глав, списка используемой литературы и приложения. Объем диссертации составляет 136 страниц и содержит 65 рисунков и 7 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Фролов, Александр Георгиевич

Выводы: - данный метод позволяет запрограммировать полное коэффициент подавления боковых компонент; - наблюдается эффект разбегания боковых компонент от центрального максимума;

ФД

МШ м

А С К А

Ji>p

Линия задержки

X 2т Зт 4т

К±>

-И — г и вых.

Рис. 3.9. Блок-схема обработки видеосигнала с программируемым коэффициентом подавления боковых лепестков

Рис. 3.10 Свертка входного сигнала S=(l, 1, -1, 1) после первого и второго модуля обработки ( по рис.3.7)

3.3 Реализация режима временной задержки и накопления. на матричном фотоприемномустройстве с использованием коммутируемых накапливающих конденсаторов

Сигнал на выходе фотоприёмного устройства (ФПУ) зависит от угловых размеров и мощности излучателя (подстилающей поверхности).

Повышение отношения сигнал/шум позволяет сделать изображение более информативным: повысить разрешение по температуре (увеличить количество различимых градаций температуры) или пространственное разрешение (количество различимых элементов на единице площади) [22].

Дисперсия шумов на выходе ФПУ прямо пропорциональна полосе сигнала, которая определяется быстродействием. Увеличивая, время обработки элемента изображения мы сужаем ширину А/спектра видеосигнала: д/=(2 д-1 (з.1) и можем использовать усилители с меньшей полосой пропускания1. При сканировании статичных объектов это легко реализуется.

При дистанционном зондировании скорость поступления видеоинформации определяется динамикой изучаемых процессов или скоростью носителя сканера (самолета или космического аппарата) и возрастает с увеличением полосы обзора. Вместе с тем, элементы изображения (подстилающая поверхность) движутся по известным законам и теоретически возможно увеличить время их наблюдения (как бы провожая их взглядом). При типовой схеме сканирования в плоскости чувствительного элемента (ЧЭ) ФПУ формируется изображение, которое сдвигается (разворачивается) по строке и кадру.

Одним из направлений развития фотоприемных устройств является увеличение количества ЧЭ - создание линеек и матриц фотоприёмников [67, 77, 78]. При этом количество ЧЭ в фотоприемниках видимого диапазона доходит до миллиона, а в ИК диапазоне пока измеряется сотнями. Таким образом, в видимом диапазоне можно сразу получать изображение с высоким разрешением и обеспечить требуемое отношение сигнал/шум увеличивая время экспозиции. Однако такой подход, во-первых, не всегда возможен из-за разброса параметров элементов матрицы, во-вторых, требует высокоскоростную обработку сигнала. Этих недостатков лишены ФПУ, работающие в режиме временной задержки и накопления заряда (ВЗН, в зарубежной литературе TDI (time delay & integration)),структурная схема которого представлена на рис.3.11.

Рис.3.11. Формирование сигнала фотоприемным устройством в режиме ВЗН

В ВЗН-режиме видеосигнал (заряд) перетекает синхронно с движением изображения от одной ЧЭ к другой и накапливается.

Фотоприёмники видимого диапазона изготавливаются на основе кремния, и технология позволяет интегрировать их в функционально сложные схемы. Интеграция микросхем с зарядовой связью и многоэлементных фотоприёмников собственно и привела к возникновению ВЗН-фотоприёмников. Однако ИК- фотоприемники производятся на основе других, не содержащих кремний, материалов. Широкое распространение получили ИК-фотоприёмники на основе смеси кадмий-ртуть-теллур (CdxHg(!4)Te). Техно

104 логия их интеграции с кремниевыми элементами достаточно сложна. Число фотоприемников участвующих в реализации ВЗН-режима не превышет 8 элементов. Следовательно реализация ВЗН-режима в ИК-диапазоне возможна с использованием линейного фотоприемного устройства (с числом элементов доходящих до 30) и аналогового процессора (на дискретных элементах), непосредственно реализующего вышеуказанный режим работы.

Разработанная структурная- схема ВЗН-процессора на дискретных элементах с использованием коммутируемых накапливающих конденсаторов приведена на рис.3.12.

Аналоговые коммутаторы (SW) последовательно, синхронно с движением изображения, подключают соответствующие накопительные ёмкости (С) к ЧЭ линейного фотоприемного устройства, каждые из которых, накопив заряды от своего элемента изображения, передает суммарный заряд на вход устройства выборки и хранения- и далее на АЦП [68]. В отличие от применяемого в ПЗС-структурах режима «пожарных ячеек», использован новый метод синхронного- сопровождения каждого* пиксела изображения/ одним «бегущим по кругу накопителем» заряда {round-flying capacity). Для линейного суммирования зарядов «бегущие» конденсаторы заряжаются управляемыми источниками тока [71, 72, 84].

ВЗН-режим позволяет: в Nm раз увеличить отношение сигнал/шум; повысить надёжность системы, так как повреждение одного ЧЭ практически не заметно {dead-element deselection)', повысить радиометрическую точность и скомпенсировать разброс параметров ЧЭ [41].

Основной недостаток применения ВЗН-ФПУ - уменьшение глубины модуляции, связанное с возрастанием вклада рассинхронизации движения изображения с кадровой разверткой при многократной коммутации [76].

Предложенный метод реализации ВЗН-ФПУ хорошо зарекомендовал себя при работе с фотоприёмниками с числом ЧЭ от 4 до 40. Однако он- не позволяет в полной мере использовать возможности современных фотоприёмников с сотнями ЧЭ из-за большой громоздкости схемы. именное фотоприемное jiot роист во

Предаеми т ели ш—1> ш—о шы> устро1*сл ьо цьборки и сброса

SV 1 синхронизация -fc sv г X

Хсг ыина адреса коммутации

Программно- временное устройство

S V N sv fh«-n X

С N

ТГ

Те 'Ni-n сигнал сьроса сигма/1 ЬШОРКИ

Рис. 3.12. Структурная схема ВЗН- процессора с использованием коммутируемых накапливающих конденсаторов

Глава 4. Экспериментальные исследования метода улучшения яркостного разрешения оптических сканеров

4.1'Виртуальное моделирование сжатия импульсного видеоотклика ОЭС на базе «длинного» фотодетектора*

Виртуальное моделирование формирования'построчного импульсного видеоотклика ОЭС с большой базой с его последующим когерентным сжатием проводилось с целью подтверждения возможности повышения яркостного (температурного) разрешения оптических сканеров для аэрокосмических систем дистанционного зондирования Земли. Моделирование производилось в программной среде «Electronics Workbench» [61, 84, 85, 86].

Были выбраны параметры ОЭС, соответствующие реальному сканирующему радиометру:

- высота орбитьг КА 830 км;

- полоса обзора 2800 км;

- число элементов разрешения 1650;

- частота сканирования 6,5 Гц;

- длительность элемента разложения 32 мкс.

Блок-схема модели ОЭС с применением виртуального «длинного» фотоприемного устройства показана на рис. 4.1. Предполагалось, что сложный импульсный видеоотклик соответствует коду Баркера с базой В = 5: (+1, +1, + 1, -1, +1). Моделировалась структура «отражательно-пропускательного» типа реального двухканального формирователя видеоотклика ОЭС, на первом из выходов которого выделяются только положительные, а на втором — только отрицательные элементы кода. Так как в отрицательном канале элемент кода является единственным, то с его помощью было возможным полностью скомпенсировать боковые лепестки АКФ кода, как видно из рис. 4.1

Рис. 4.1. Блок-схема модели ОЭС с применением виртуального протяженного фотоприемного

Ввод модели ОЭС производился в схемном редакторе программной среды «Electronics Workbench» версии EWB 5.11 [79]. Общая электрическая схема имитатора ОЭС представлена на рис. 4.2, а на рисунке 4.3 изображены осциллограммы в характерных точках схемы:

- точка 1 - входной тестовый сигнал;

- точка 2 - сигнал с фотоприемника длиной 5 х;

- точка 3 - сигнал с фотоприемника длиной т;

- точка 4 - сигнал после когерентного сжатия сложного видеосигнала. Представленные на рис. 4.3 осциллограммы подтверждают хорошее совпадение результатов моделирования с теоретическими выводами автора.

Рис. 4.2. Общая электрическая схема имитатора ОЭС А т = 32 мкс <

I I

Рис. 4.3. Осциллограммы тестового сигнала в характерных точках моделируемой схемы ОЭС

4.2 Аппаратное моделирование ОЭС на базе «длинного» фотоприемника

Разработанные алгоритмы когерентного сжатия импульсного видеоотклика ОЭС были применены в экспериментальном макете тепловизионной сканирующей аппаратуры в рамках НИОКР по тематикам «СПОЛОХ» и «КОСТЕР» предприятия ФГУП «РНИИКП» [47, 51, 54], в создании которого автор принимал непосредственное участие.

Блок-схема экспериментальной аппаратуры, разработанной автором, представлена на рисунке 4. 4 , где обозначено:

- МФПУ - экспериментальный образец матричного фотоприемного устройства формата 6x96 ;

- МКС — микрокриогенная система охлаждения типа Сплит-Стирлинг с температурой захолаживания 75.90 К;

- АЧТ - холодное — имитатор абсолютно черного тела с температурой + 5° С

- АЧТ - горячее - имитатор абсолютно черного тела с температурой + 60°С ;

- Блок управления приводом сканирующего зеркала;

- АЦП — четырехканальное 14 - битное АЦП типа DAQ-2010;

- ПУ - предварительные согласующие усилители;

- Блок управления МФПУ;

- Двухкоординатное сканирующее зеркало;

- Объектив.

В макете аппаратуры автором было применено экспериментальное матричное фотоприемное устройство производства ФГУП «ОРИОН». Это МФПУ представляет собой охлаждаемый матричный модуль, расположенный в криостатируемом корпусе [87].

Модуль состоит из матрицы фотодиодных чувствительных элементов (ФЧЭ) формата 6x96, изготовленной на основе эпитаксиальных структур

Рис. 4.4. Блок-схема экспериментальной аппаратуры материала кадмий-ртуть-теллур (КРТ) и двух кремниевых МОП-мультиплексоров. Основные параметры МФПУ представлены в табл. 4.1.

При экспериментальной отработке методов сжатия некогерентных оптических сигналов ОЭС в макете в качестве модели «длинного» фотодетектора использовались только пять прилегающих друг к другу вдоль строки фоточувствительных элементов (ФЧЭ) матричного фотоприемного устройства МФПУ-96. Формат кадра: 96 синтезированных элементов в строке; 256 строк; скорость обновления кадров 1/3 Гц.

Заключение

1. Для решения научно-технической проблемы многократного повышения яркостной (температурной) разрешающей способности оптических сканеров с построчным сканированием предложен, теоретически и экспериментально обоснован новый метод их построения, отличающийся от известных использованием «длинных»*одноэлементных фотодетекторов, вытянутых вдоль строки в В раз по сравнению с их поперечным размером, В »1. '

2., Теоретически и экспериментально обосновано применение в сканерах с «длинными» фотодетекторами нового метода формирования и когерентного сжатия сложного импульсного видеоотклика оптико-электронной системы (ОЭС) радиометра, в соответствии с которым: выбирают кодовую последовательность с базой В', обеспечивающей заданную кратность увеличения отношения «сигнал-шум», а также заданные требованиям к уровню боковых лепестков- автокорреляционной1 функции (АКФ) или взаимно корреляционной функции (ВКФ) этой последовательности; посредством пространственной модуляции кодируют по закону выбранной последовательности текущие оптические сигналы изображения, бегущего в. пределах мгновенного углового поля сканера,, согласованного с размерами «длинного» фотодетектора; детектируют оптические сигналы; полученные видеосигналы с базой, равной В, подвергают взаимной корреляции с опорными сигналами, выбранными с целью минимизации боковых лепестков АКФ (ВКФ).

3. Разработаны, теоретически обоснованы и определены пути технической реализации алгоритмов накопления видеосигналов методом когерентного сжатия сложного импульсного видеоотклика ОЭС оптического сканера по п. 1 с использованием либо известных усеченных кодов, отличающихся уменьшенным, или, теоретически, нулевым уровнем боковых лепестков АКФ (ВКФ), например, кодов Баркера или Голея, либо известного метода неоптимальной линейной фильтрации кодов, предложенного Н.И. Амиантовым.

4. Разработан, теоретически и экспериментально обоснован новый алгоритм дополнительного снижения уровня боковых лепестков АКФ (ВКФ) импульсного видеоотклика ОЭЕ сканера по п. 1 посредством взвешенного суммирования этих АКФ (ВКФ), задержанных относительно друг друга в соответствии с расположением их боковых лепестков.

5. Разработан, теоретически и экспериментально обоснован новый алгоритм дополнительного снижения вплоть до полной компенсации боковых лепестков АКФ (ВКФ) импульсного видеоотклика за счет его формирования в двух параллельных каналах, в одном из которых содержатся только, условно, «положительные» кодовые дискреты, а в другом — только- «отрицательные». Алгоритм позволяет выделить необходимый для компенсации боковых лепестков АКФ (ВКФ) видеоимпульс одиночного дискрета; либо их малоимпульсные комбинации.

6. Предложен метод инженерного расчета параметров шумов на выходе сжимающих фильтров, с помощью которого было, в частности, доказано, что любой способ дополнительного уменьшения боковых лепестков АКФ (ВКФ), по сравнению с результатами процедуры согласованной фильтрации; всегда связан с аналитически определяемым снижением величины отношения «сигнал-шум».

7. С целью минимизации потерь информации при последующей цифровой обработке изображений, с учетом статистик отсчетов фотонов, аналитически и численно исследованы амплитудные характеристики нелинейных видеоусилителей, которые следует устанавливать перед аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП). Показано, что для максимального снижения уровня шумов электронного квантования нужно, чтобы величина младшего значащего разряда (МЗР) аналогово-цифрового преобразователя, подключенного к выходу нелинейного видеоусилителя, была всегда согласована с величиной статистически разрешаемой градации амплитуды на любом уровне истинного значения последней.

8. Разработаны новые алгоритмы для расчетов амплитудных характе

1 /2 ристик (типа InV; V ) нелинейных видеоусилителей, которые следует подключать ко входам аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) для стабилизации уровней мощностей суммы внутреннего, а также классического и квантового шумов на их входах с целью минимизации влияния шумов квантования при последующей цифровой обработке изображений.

9. Разработан новый алгоритм для расчета количества статистически различимых градаций яркости изображения в заданном динамическом диапазоне сигналов по заданным статистикам всех компонентов шумов, в общем случае, нестационарных.

10. Рекомендовано при тематической многоспектральной или гиперспектральной обработке изображений, с помощью нелинейных видеоусилителей, подключаемых ко входам АЦП, в общем случае, многоканального, согласовывать динамические диапазоны упомянутых АЦП с критическими областями принятия статистического решения о наличии тематической цели. Тематическую адаптацию многоспектрального сканера следует осуществлять путем программной перестройки параметров нелинейных видеоусилителей в спектральных каналах в соответствии с текущими географическими координатами местоположения носителя или иными данными предварительного целеуказания.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Фролов, Александр Георгиевич, 2008 год

1. Спутники оптической съемки земли с высоким разрешением. — Космическая съемка Земли. М.: изд. ИПРЖР, 2001. - 136 с.

2. Спутниковые системы связи и вещания. Космическая съемка Земли. — М.: изд. ИПРЖР, 2002. - 209 с.

3. Обработка изображений. Тем. выпуск. ТИИЭР, М.: Мир, т. 69, № 5, май, 1981.-207 с.

4. Романов А.А. Основы обработки и анализа данных космического дистанционного зондирования океана: Учебное пособие. -М.: МФТИ, 2003. 272 с.

5. Дистанционное зондирование: количественный подход. — Ш.М. Дейвис, Д.А. Ландгребе и др./ Пер. с англ. М.: Недра, 1983. — 396 с.

6. Горный В.И., Шилин Б.В., Ясинский Г.И. Тепловая аэрокосмическая съемка. -М.: Недра, 1993. 128 с.

7. У. Г. Рис Основы дистанционного зондирования. — М.; Техносфера, 2006.-336 с.

8. Ллойд Дж. Системы тепловидения. М.: Мир, 1978. — 416 с.

9. Цифровая обработка изображений в информационных системах. Учебн. пособие/ Грузман И.С., Киричук B.C. и др. Новосибирск: Изд. НГТУ, 2002. -352 с.

10. Р. Гонсалес, Р. Вудс. Цифровая обработка изображений, Пер. с англ. Под ред. П.А. Чочиа. — М.: Техносфера, 2005. 1072 с.

11. Гарбук С. В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. М.: Изд. «А и Б», 1997. - 296 с.

12. Military Technology. № 2, 2004, p.80-84.

13. Jane's Defense Weekly. May 26, 2004, p. 23.

14. Armada International. № 2, 2004,;?. 72-84; и № 3, 2004, p. 64-65.

15. Flight International. Jan. 28, 2003,p. 23, Feb. 03, 2003,;?. 23.

16. Jane's International Defense Review.- Aug., 2004,p. 19.

17. Аблеков B.K., Колядин C.A., Фролов A.B. Высокоразрешающие оптические системы. — М.: Машиностроение, 1985. — 176 с.

18. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. — М.: Наука, 1979.-223 с.

19. Свет В.Д. Оптические методы обработки сигналов. М.: Энергия, 1971. - 104 с.

20. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов, Учебное пособие для Вузов. JL: Машиностроение, 1977. - 600 с.

21. Елизаренко А.С., Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Оптико-электронные системы в исследованиях природных ресурсов. -М.: Недра, 1984.-215 с.

22. Литвиненко О.Н. Основы радиооптики. — М.: Киев: Техшка, 1974. — 206 с.

23. Усилители с широким динамическим диапазоном на микросхемах /А.П. Лукошкин, И.Г. Киренский, Ю.Э. Монахов и др. — М.: Радио и связь, 1981.- 120 с.

24. Биберман Л.М. Растры в электрооптических устройствах. М.: Энергия, 1969.-160 с.

25. Варакин Л.С. Теория сложных сигналов. М.: Советские радио, 1970. — 376 с.

26. Свердлик М.Б. Оптимальные дискретные сигналы. М.: Сов. Радио,' 1975.-200 с.

27. Колесник В.Д., Мирончиков Е.Т. Декодирование циклических кодов. — М. Связь, 1968.-252 с.

28. Петрович Н.Т., Размахнин М.К. Системы связи с шумоподобными сигналами;—Mj: Советское радио, 1969:—232 с.

29. Амиантов И:Н. Избранные вопросы статистической теории связи. — М.: Соврадио, 1971. — 416 с.

30. Теоретические основы радиолокации./Под ред. Ширмана Я.Д. Учебн. пособие для вузов. М.: Соврадио, 1970. - 560 с.

31. Goley M.J.E. Static Multislit Spectrometry and it's Application to the Panoramic Display of Infrared Spectra. — J: Opt: Soc. Am., vol. 41, № 7, July, 1951,/?. 468-472. '

32. Goley M.J.E. Multislit Spectrometry. J. Opt. Soc. Am:, Vol. 39, 1949, p. 437.

33. Goley M.J.E. Complementary Series. IRE Trans. On Information Theory, April, 1961,/?. 82-97.

34. Sivasvamy R. Multiphase Complementary Codes. — IEEE Trans, on Information Theory, vol. IT-24. № 5, Sept. 1978,/?. 546-552.

35. Kounias S;, Koukouvinos C., Sotirakoglou K. On Goley sequences- — Discrete Mathematics, Elsevier Science Publisher B.V., vol. 92, 1991, p. 177-185.

36. Воробьев В.И., Гектин Ю.М., Гуськов А.В., Фролов А. Г., Нелинейная коррекция амплитудной шкалы при цифровой тематической обработке изображений М.: Вестник МЭИ, Изд. МЭИ, №1, 2003, С.84-88.

37. А. Г. Фролов; Реализация* шенноновского режима восстановления1 ИК-изображений в сканирующих радиометрах с ВЗН-фотодетекторами. Тезисы докладов научно-технической конференции ФГУП «РНИИ КП» 2629 мая 2003 г. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - С. 194.

38. Гектин Ю. М., ., А. Г. Фролов, . Заявка на изобретение «Многоканальный сканирующий радиометр с широкой!полосой; обзора» дата поступления 11.09.2006; входящий №035319; регистрационный №2006132471.

39. А. В. Гуськов, А. Г. Фролов под ред. д-ра техн. наук, проф. В. И. Воробьева. Исследование вольтамперных характеристик полупроводниковых излучающих диодов. Лабораторная работа № 1 по курсу «Квантовые генераторы» М: Изд-во МЭИ, 2006, - 11 с.

40. Акимов Н. П., Гектин Ю. М., Смелянский М. Б., Фролов А. Г. «ИК-радиометры нового поколения на основе многоэлементных приемников излучения» М.: Мехатроника, автоматизация, управление №5, 2007. Приложение, Изд. «Новые технологии», С.2 - 5.

41. Теория когерентных изображений/ П.А. Бакут, В.И.Мандросов, И.Н.Матвеев и др.; Под ред. Н.Д.Устинова. М.: Радио и связь, 1987. — 264 с.

42. Слепов Н.Н. Синхронные цифровые сети SHD. М.: Эко-трэнд, 1999: -160 с.

43. Справочник по радиолокации .Под ред. М.Сколника. Пер. с англ. под общей редакцией К.Н.Трофимова. Том 1. Основы радиолокации. Под ред. Я.С.Ицхоки. М.: Сов. радио, 1976. - 456 с.

44. У.С.Найт, Р.Г.Придем, С.М. Кей. Цифровая обработка сигналов в гидролокационных системах ТИИЭР, т.69, №11, 1981, с. 84-155.

45. Воробьев В.И. Оптическая локация для радиоинженеров. М.: Радио и связь, 1983.- 177 с.

46. Photonics Devices for Scientific Instruments/ Hamamatsu Photonics K.K., Japan, 2000.

47. А.Д.Пейтон, В.Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях М.: Бином, 1994. - 352 с.

48. Патент РФ RU 2 251 715 С2 МПК G 01 V 1/00. Сигналы источника для электросейсмической разведки. С.К. Хорнбостэл, А.Х. Томпсон. — 17 е.: ил.

49. J-Q. Xi, J.K. Kim, E.F. Schubert. Silica nanorod array films with Very Low Refractive Indices- Nano Letters 5, 1385, 2005.

50. A.Jains, S. Rogojevitch, S. Ponoth et al. Porous silica materials as low-n dielectrics for electronics and optical interconnects. — Thin solid Films, 398399,513 ,2001.65.