Разработка методики выбора и расчета основных параметров и характеристик бортовых оптико - электронных систем дистанционного зондирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Хани Мохаммед Хамед Вахба Эльшейх

• Хани Мохаммед Хамед Вахба Эльшейх
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Хани Мохаммед Хамед Вахба Эльшейх

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Современное состояние и перспективы развития бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования

1.1 Виды разрешения бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондированния (БОЭСДЗ); взаимосвязь «внешних» и «внутренних» параметров системы

1.2 Обзор известных принципов формирования поля обзора бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования

1.3 Современное состояние и перспективы совершенствования объективов, используемых в бортовых оптико-электронных системах дистанционного зондирования

1.4 Современное состояние и перспективы развития фотоприемных устройств, используемых в бортовых оптико-электронных системах дистанционного зондирования

1.5 Современное состояние и перспективы развития оптических фильтров, используемых в бортовых оптико-электронных системах дистанционного зондирования

Выводы по главе

ГЛАВА 2. Оценка качества работы бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования

2.1 Пространственное разрешение бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования

2.2 Временное разрешение бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования

2.3 Спектральное разрешение бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования

2.4 Энергетическое разрешение бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования

2.5 Оценка качества работы БОЭСДЗ при применении пошагового сканирования с одним оптическим каналом, работающим пассивным методом

2.6 Оценка качества работы БОЭСДЗ при применении пошагового сканирования с двумя оптическими каналами, работающими пассивным методом

Выводы по главе

ГЛАВА 3. Методика определения погрешностей оценок разрешения бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования

3.1 Оценка влияния отклонений «внешних» и «внутренних» параметров и характеристик БОЭСДЗ на пространственное разрешение БОЭСДЗ

3.2 Оценка влияния отклонений «внешних» и «внутренних» параметров и характеристик БОЭСДЗ на временное разрешение БОЭСДЗ

3.2 Оценка влияния отклонений «внешних» и «внутренних» параметров и характеристик БОЭСДЗ на энергетическое разрешение БОЭСДЗ

Выводы по главе

ГЛАВА 4. Основные положения обобщенной методики выбора и расчета конструктивных параметров и характеристик бортовых оптико-электронных

систем дистанционного зондирования

4.1 Структура методики выбора и расчета конструктивных параметров и характеристик БОЭСДЗ

4.2 Анализ конкретного примера построения БОЭСДЗ и ее элементой базы

Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики выбора и расчета основных параметров и характеристик бортовых оптико - электронных систем дистанционного зондирования»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Продолжающееся уже не первое десятилетие быстрое развитие бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования (БОЭСДЗ), устанавливаемых на летательных аппаратах (носителях), позволяет непрерывно расширять круг их применения и решать многие сложные прикладные задачи, например, в области перспективной аэрофотосъёмки, используемой в картографии и разведке для обеспечения необходимой ширины охвата территории. Эти системы широко используются в экологическом мониторинге, при разведке и исследовании природных ресурсов, при контроле состояния нефте- и газопроводов, при обнаружении очагов лесных пожаров, при картографировании минных полей и др.

В диссертации рассматриваются вопросы, связанные с методологией проектирования системы первичной обработки информации (СПОИ) БОЭСДЗ, состоящей из объектива и ФПУ. С точки зрения системного подхода проводится анализ взаимосвязи схем построения БОЭСДЗ и параметров ее СПОИ с требованиями, предъявляемыми к пространственному, временному, спектральному и энергетическому разрешению системы.

Сопоставление требований многочисленных пользователей БОЭСДЗ с параметрами и характеристиками современных оптических систем и фотоприемных устройств (ФПУ) позволяет выявить тенденции развития и сформулировать принципы построения таких БОЭСДЗ. Для определения перспектив развития БОЭСДЗ целесообразно прежде всего проанализировать требования к пространственному, временному, спектральному и энергетическому разрешению этих систем, возникающие при необходимости решать разнообразные практические задачи. Затем на основе результатов этого анализа можно перейти к синтезу

системы, то есть дать рекомендации по наиболее рациональной структуре той или иной системы и по требованиям к параметрам и характеристикам основных узлов БОЭСДЗ, прежде всего оптической системы и ФПУ.

Степень разработанности темы исследований. Разработке методик выбора и расчета отдельных параметров БОЭСДЗ посвящены исследования и публикации многих авторов (М.М.Мирошников, Г.П.Катыс, В.А.Соломатин, В.В.Тарасов, А.С.Елизаренко, Ю.Г.Якушенков, P.Cox, T.Edvards, R.G.Driggers и др.). В этих источниках рассмотрены некоторые схемы просмотра наблюдаемой сцены, а также возможные пути выбора и расчета отдельных параметров и характеристик этих систем; приводятся патентные описания ряда БОЭСДЗ, содержащие оценки только отдельных видов разрешения без рассмотрения их взаимосвязи. Обобщенная методика определения основных конструктивных параметров БОЭСДЗ, базирующаяся на сопоставлении требований многочисленных пользователей БОЭСДЗ к разрешению этих систем с параметрами и характеристиками современных оптических систем и многоэлементных ФПУ (МФПУ) и позволяющая выявить тенденции развития и сформулировать принципы построения таких БОЭСДЗ, в известной литературе отсутствует. Разработка такой методики делает тему, вынесенную в заглавие диссертации, актуальной.

Целью диссертации является установление связей между параметрами и характеристиками БОЭСДЗ для широкого круга применения этих систем, а также разработка методики выбора и расчета конструктивных параметров и характеристик оптической системы и ФПУ с учетом требований к их разрешению.

Для реализации этой цели необходимо было решить следующие задачи: - выбрать необходимое и достаточное для оценки требуемого пространственного, временного, спектрального и энергетического разрешения число «внешних» (задаваемых потребителем аппаратуры по условиям ее работы) и «внутренних» (выбираемых и рассчитываемых разработчиком,

исходя из имеющейся или перспективной элементной базы) параметров и характеристик БОЭСДЗ;

- проанализировать современное состояние и тенденции развития БОЭСДЗ и их основных узлов - объективов и ФПУ;

- установить количественные связи между «внешними» и «внутренними» параметрами и характеристиками, определяющие пространственное, временное, спектральное и энергетическое разрешение БОЭСДЗ;

- определить возможные отклонения «внешних» и «внутренних» параметров и характеристик от их номинальных значений, при которых сохраняется требуемое разрешение системы;

- сформулировать основные положения методики выбора и расчета конструктивных параметров и характеристик оптической системы и ФПУ в процессе проектирования БОЭСДЗ;

- в целях оценки адекватности и реализуемости предложенной методики рассчитать в качестве примера числовые параметры и характеристики БОЭСДЗ, исходя из состояния современной и перспективной элементной базы (прежде всего объективов и МФПУ).

Предметом исследования являются СПОИ БОЭСДЗ, принципы выбора схемы просмотра подстилающей поверхности (поля обзора) и «внешних» и «внутренних» параметров и характеристик аппаратуры, зависимости между пространственным, временным, спектральным и энергетическим разрешением БОЭСДЗ. Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Предложены достаточно общие показатели эффективности работы БОЭСДЗ, базирующиеся на определении взаимосвязи пространственного разрешения, обусловленного перспективными искажениями, и временного, спектрального и энергетического разрешения БОЭСДЗ и представленные в виде формул и таблиц, позволяющих рассчитать или выбрать параметры и характеристики системы.

2. Получены зависимости для оценок влияния изменений условий работы и

параметров БОЭСДЗ («внешних» и «внутренних» параметров системы) на разрешение аппаратуры, отсутствующие в известных публикациях.

3. На основании полученных зависимостей предложена достаточно общая

методика выбора и расчета основных параметров и характеристик БОЭСДЗ. Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Приведенные формулы и графики позволяют не только выбрать конструктивные параметры объектива и многоэлементного ФПУ по заданному значению перспективных искажений, но и служить для обоснования требуемой высоты и скорости полета носителя аппаратуры при заданных размерах зоны просмотра подстилающей поверхности и значениях геометрического разрешения на местности, то есть согласовать «внутренние» параметры БОЭСДЗ (ее конструктивные параметры) с «внешними» параметрами - требованиями потребителя аппаратуры.

2. Предложенные методы позволяют с единых позиций осуществлять расчет и выбор параметров СПОИ вновь создаваемых БОЭСДЗ, работающих в спектральном диапазоне 0,4 - 14 мкм, а также совершенствовать характеристики элементной базы уже существующих изделий.

3. Использование разработанных методов позволяет проводить сравнительный анализ различных вариантов вновь создаваемых БОЭСДЗ и выбирать наиболее рациональные схемы построения без проведения дорогостоящих натурных экспериментов. Это, в свою очередь, позволяет существенно сократить средства на разработку этих систем.

Методология и методы диссертационного исследования базируются на положениях общей теории расчета сложных оптико-электронных систем, методиках расчета геометрических искажений в БОЭСДЗ, методиках пространственного, временного и энергетического расчета оптико-электронных систем. В диссертации рассматриваются вопросы, связанные с методологией проектирования системы

первичной обработки информации (СПОИ) БОЭСДЗ, состоящей из объектива и ФПУ. С точки зрения системного подхода проводится анализ взаимосвязи схем построения БОЭСДЗ и параметров ее СПОИ с требованиями, предъявляемыми к пространственному, временному, спектральному и энергетическому разрешению системы.

Личный вклад автора диссертации состоит в предложении зависимостей для расчета отдельных видов разрешения БОЭСДЗ, сравнительной оценке различных схем просмотра поля обзора, формулировке этапов обобщенной методики выбора и расчета основных параметров и характеристик системы первичной обработки информации БОЭСДЗ.

На защиту выносятся следующие научные результаты и положения:

1. Обобщенная геометрооптическая схема работы БОЭСДЗ позволяет достаточно полно связать «внешние» и «внутренние» параметры аппаратуры.

2. Предложенные оценки качества работы БОЭСДЗ позволяют определить взаимосвязи пространственного разрешения, обусловленного перспективными искажениями, и временного, спектрального и энергетического разрешения БОЭСДЗ.

3. Предложенные в диссертации формулы позволяют оценить влияние изменяющихся «внешних» и «внутренних» параметров на достижение требуемого разрешения БОЭСДЗ.

Достоверность полученных в диссертации выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, обеспечивается корректностью используемых методов исследования, математической строгостью выполненных преобразований. Она была подтверждена путем сопоставления параметров и характеристик одной из реально существующих БОЭСДЗ с результатами расчетов аналогичных параметров и характеристик по предложенной в диссертации методике.

Апробация результатов работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на конференциях студентов и аспирантов МИИГАиК в 2014 и 2015 гг., а также на Международной конференции по дистанционному зондированию (International European Optical Society EOSAM2014 Conference, Берлин, 15-19 сентября 2014 г.).

Публикации по теме диссертации. Основные результаты, полученные в диссертационной работе, представлены в четырех статьях в журналах, входящих в перечень ВАК РФ:

1. Х. М. Эльшейх, Якушенков Ю. Г. Пространственное разрешение бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2014. - №3. - С.109-114. ISSN 0536101X.

2. Х. М. Эльшейх, Якушенков Ю. Г. Временное разрешение бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования // Оптический журнал. -2014. - № 10.- С. 603-606. ISSN 00304042.

3. Х. М. Эльшейх, Якушенков Ю. Г. Оценка качества работы бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка.-2015.- №.5. ISSN 0536101X.

4. H. M. ElSheikh, Yakushenkov Y.G.Spatial and temporal resolutions pixel level performance analysis of the onboard remote sensing electro-optical systems. Journal of the European Optical Society - Rapid publications, Europe, v. 9, 14035, 2014. ISSN 1990-2573.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Общий объем работы - 210 страниц машинописного текста, включая 11 рисунков, 30 таблиц, список литературы из 65 наименований и три приложения.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ БОРТОВЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

1.1 Виды разрешения бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования; взаимосвязь «внешних» и «внутренних» параметров системы

Учитывая многомерность оптических сигналов, а также разнообразие задач, решаемых современными БОЭСДЗ, для описания их качественных параметров и характеристик пользуются понятиями «пространственное», «временное», «спектральное» и «энергетическое» (амплитудное) разрешение. Для большинства БОЭСДЗ, работающих в статическом режиме, наиболее важно обеспечить хорошее пространственное и энергетическое разрешение; для систем, работающих в динамическом режиме (при взаимном перемещении системы и пространства объектов), наряду с пространственным и энергетическим разрешением важным является и временное разрешение. В последнее десятилетие перед отдельными БОЭСДЗ, особенно используемыми в научных исследованиях, для мониторинга окружающей среды, для исследования природных ресурсов, а также для автоматического распознавания образов, ставится задача иметь хорошее спектральное разрешение в сравнительно широком оптическом диапазоне или одновременно в нескольких спектральных поддиапазонах [1].

Для решения задач обнаружения оптических сигналов и образов, например изображения достаточно сложного по форме, спектру и другими признакам объекта, находящегося на сложном "пестром" фоне, в современных БОЭСДЗ почти повсеместно используется ограниченное число отличительных признаков. Выбор признаков является важнейшей задачей при разработке современных БОЭСДЗ,

работающей пассивным методом. Поэтому при разработке новых и совершенствовании существующих БОЭСДЗ очень важно отобрать минимальное число таких признаков, обеспечивающих заданные показатели качества работы БОЭСДЗ, но не усложняющих их конструкцию и тем самым не снижающих надежность работы систем и не удорожающих их производство и эксплуатацию.

В литературе чаще всего рассматривается трехмерный массив информации, то есть в большинстве разработок и попыток создать современные БОЭСДЗ используется совокупность геометрооптических и динамических признаков объектов (пространственная и пространственно-временная фильтрация).

Спектральные оптические признаки объектов и сигналов используются в большинстве случаев ограниченно - путем использования простой режекторной (полосовой, однополосной) или двухцветовой (двухполосной) спектральной оптической фильтрации. В то же время увеличение числа спектральных каналов (рабочих спектральных диапазонов) в составе БОЭСДЗ хотя бы до двух или трех, как это имеет место в зрительном аппарате человека, может заметно повысить "интеллектуальность" этих систем и комплексов, в которые они входят, то есть улучшить их показатели качества.

Учитывая возможные изменения оптического спектра (эффективной спектральной излучательной способности объекта или спектральной плотности освещенности изображения), связанные, например, с изменением режима работы энергетических установок на объекте, или с изменением условий прохождения оптического сигнала на трассе "объект-БОЭСДЗ", или с изменением условий облучения объекта естественными посторонними источниками и т.д., целесообразно иметь гибкие эталоны спектральных признаков - спектральных отношений [1].

Энергетическое разрешение, определяемое как число разрешаемых уровней яркости объекта или освещенности изображения, выбирается в соответствии с требуемым отношением сигнал/шум.

Необходимо учитывать взаимосвязь пространственного, временного, спектрального и энергетического разрешения, имеющую место в реальных БОЭСДЗ. Например, если высокое пространственное разрешение достигается путем уменьшения размеров элемента изображения, то из-за этого на данный элемент будет приходиться меньшее количество энергии, которое необходимо для разделения ее по спектральным рабочим диапазонам и получения требуемого отношения сигнал/шум в каждом из этих диапазонов.

В [2-5] рассмотрены некоторые принципы работы и схемы просмотра наблюдаемой сцены, а также описываются возможные пути выбора и расчета отдельных параметров и характеристик этих систем, приводятся патентные описания ряда БОЭСДЗ, содержащие оценки только отдельных видов разрешения без рассмотрения их взаимосвязи. Однако обобщенная методика, базирующаяся на сопоставлении требований многочисленных пользователей БОЭСДЗ к разрешению этих систем с параметрами и характеристиками современных оптических систем и МФПУ, в известной литературе отсутствует. Разработка такой методики делает тему, вынесенную в заглавие диссертации, актуальной.

Требования к БОЭСДЗ особенно усложняются при размещении этой аппаратуры на борту летательного аппарата. Исходными данными при выборе и расчете БОЭСДЗ и ее основных узлов - оптической системы и ФПУ являются: спектральные рабочие диапазоны; размеры просматриваемой зоны подстилающей поверхности и высота полета; требуемые пространственное, временное, энергетическое и спектральное разрешение; скорость полета вдоль некоторого направления, принятого за одну из ортогональных осей системы координат, в которой работает БОЭСДЗ, или частота просмотра заданной зоны; состояние атмосферы на трассе «просматриваемая зона подстилающей поверхности - БОЭСДЗ».

Для определения перспектив развития БОЭСДЗ целесообразно прежде всего:

- установить количественные связи между «внешними» и «внутренними» параметрами и характеристиками, определяющие пространственное, временное, спектральное и энергетическое разрешение БОЭСДЗ;

- проанализировать требования к пространственному, временному, спектральному и энергетическому разрешению этих систем, возникающие при необходимости решать разнообразные практические задачи. Затем на основе результатов этого анализа можно сделать выводы о наиболее рациональной структуре той или иной системы и о требованиях к параметрам и характеристикам основных узлов БОЭСДЗ, прежде всего оптической системы и ФПУ;

- проанализировать современное состояние и тенденции развития СПОИ БОЭСДЗ и систем формирования их поля обзора.

Взаимосвязи «внешних» и «внутренних» параметров БОЭСДЗ показаны на рис. 1.

Рис. 1. Взаимосвязь «внешних» и «внутренних» параметров БОЭСДЗ

1.2 Обзор известных принципов формирования поля обзора бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования

Известным способом просмотра сцены является полет носителя 1 БОЭСДЗ, который происходит с постоянной скоростью Уу вдоль оси у на постоянной высоте Н по трассе, проходящей над центром сцены 4 (рис.2). БОЭСДЗ просматривает зону подстилающей поверхности с угловыми размерами зоны просмотра 2&х х 2^у через атмосферу с помощью МФПУ 3 в виде матрицы формата МххЫу, которая размещается в фокальной плоскости объектива 2 БОЭСДЗ с фокусным расстоянием /'.

Рис. 2. Схема работы БОЭСДЗ, работающей пассивным методом, при

вертикальном просмотре БОЭСДЗ исследует зону просмотра с размерами Ао = ЬхохЬуо. Обозначим размеры элементов чувствительного слоя МФПУ по осям х и у в фокальной плоскости объектива как (1Х и ^у, а соответствующие им угловые размеры в надире по направлению оптической оси как 2Шхо и 2Шуо.

Оптическая ось БОЭСДЗ перпендикулярна к поверхности МФПУ, где оптическая ось совпадает с линией надира. Пространственное разрешение 4ю и 1уо по

осям х и у на сцене определится размерами проекции пикселя МФПУ на местность равно [6-11]:

1x00 ~ Шх/ /' , /уо «Шх/ /'. (1)

В настоящее время перспективная аэрофотосъемка востребована по всему миру. В этой области работает много компаний, появляется большое число патентов. Эти компании получают огромное количество перспективных аэрофотоснимков, используя, в основном, цифровые БОЭСДЗ. Многие БОЭСДЗ, установленные на борту летательных аппаратов, используются в картографии, разведке, наблюдении.

Основным ограничением при разработке цифровых кадровых БОЭСДЗ являются малые размеры (форматы) и недостаточное геометрооптическое разрешение МФПУ, а также недостаточно большое угловое поле объективов, строящих изображение просматриваемого пространства (сцены) на чувствительном слое МФПУ. Это привело к использованию БОЭСДЗ с несколькими объективами и ФПУ, что позволяет получать изображения сцены большого формата с хорошим пространственным разрешением. Во многих, хотя и не во всех, случаях это вызвало внедрение конфигураций снимков, которые аналогичны тем, что широко использовались еще до Второй мировой войны.

Такие конфигурации включают: а) веерную, используемую в перспективной фотосъемке для более масштабного охвата сцены, зачастую в целях разведки; б) блоковую, которая увеличивает площадь сцены (подстилающей поверхности), просматриваемую с одной экспозиционной точки, что обычно применяется в картографии и наблюдении; в) «Мальтийский крест» - комбинацию одной БОЭСДЗ, просматривающей сцену в надир, и четырех БОЭСДЗ, образующих стороны мальтийского креста и просматривающих сцену с наклоном их оптических осей [12].

Веерная съемка использовалась в течение многих лет для обеспечения просмотра максимально возможной площади подстилающей поверхности с борта летательного аппарата перпендикулярно направлению его полета [4,12]. Например, в

военно-воздушных силах НАТО широко использовались разведывательные пленочные БОЭСДЗ серии Zeiss KS-153 в двух ее разновидностях - трехобъективной Tri-lens 80 и пятиобъективной - Penta-lens 53, обеспечивающей более широкое просматриваемое угловое поле. Схемы работы разведывательной пленочной БОЭСДЗ серии Zeiss KS-153 представлена на рис. 3.

Недавно на рынке появились среднеформатные цифровые БОЭСДЗ. К ним относятся системы DiMAC Wide (Бельгия), Dual-DigiCAMaRoneiMetric (сейчас Trimble) AIC x 2 (ФРГ). Все они имеют достаточно схожие характеристики. Отдельные БОЭСДЗ позволяют делать снимки размером 39 мегапикселов.

ОМ и

1 41 И

О ГО м t 1» и

ж? / \ мР

LLITH

НИ

а) б)

Рис. 3. Схема работы разведывательной пленочной БОЭСДЗ серии Zeiss KS-153, предоставляющей веер из наклонных перспективных снимков перпендикулярно направлению полета а) трехобъективной БОЭСДЗ (Tri-lens 80) ; б) пятиобъективной БОЭСДЗ (Penta-lens 53)

Затворы отдельных БОЭСДЗ синхронизированы, чтобы получать два перспективных снимка по обеим сторонам линии полета. После выпрямления и

соединения двух изображений размеры итогового снимка составляют 75 мегапикселов [13,14]. Такова работа БОЭСДЗ модели Dual-DigiCAM и DiMAC Wide.

Примером трехканальной БОЭСДЗ является DLR-3k (ФРГ). Система DLR-3k состоит из трех малоформатных цифровых БОЭСДЗ, включающих камеры Canon, которые помещены в регулируемые оправы одинаковой конфигурации, что позволяет сделать одну вертикальную и две перспективных фотографии. Компания IGI создала аналогичную систему, которая была названа Triple-DigiCAM. В ней используются три среднеформатных цифровых БОЭСДЗ компании DigiCAM вместо малоформатной БОЭСДЗ, которая была использована в системе DLR-3k [15,16].

Следует сказать о новом поколении цифровых БОЭСДЗ, разработанных в российской компании NPO KSI. В этих цифровых БОЭСДЗ используется несколько малоформатных ФПУ на базе ПЗС-матриц в сочетании с четырьмя, шестью или восемью объективами, которые размещены под наклоном по обеим сторонам линии полета для обеспечения необходимой ширины охвата подстилающей поверхности. В случае четырех объективов две пары из них размещены под наклоном на противоположных направлениях по сторонам линии полета; схема представлена на рис. 4-а. В фокальных плоскостях каждого объектива размещена ФПЗС- матрица. Они расположены таким образом, что изображения, полученные с одной пары объективов, соединяются вместе, образуя прямоугольное изображение поверхности с ее более длинной стороной в направлении, перпендикулярном линии полета; схема представлена на рис. 4-6. Изображения, получаемые другой парой объективов и их ФПУ, примыкают к изображениям из первой пары для обеспечения широкого охвата территории подстилающей поверхности. Такая система при полете на низких высотах позволяет получить кадр изображения размером 12200 пикселов. В случае шести объективов в системе, основанной на подобной конфигурации и применяемой при полетах на средней высоте, ширина зоны охвата в направлении, перпендикулярном направлению полета, составляет 27000 пикселов.

При использовании восьми объективов и при полетах на большой высоте охват территории составляет 49000 пикселов [12].

Практически аналогичной системой из двух цифровых пошаговых кадровых БОЭСДЗ является система VisionMap А3. Она использует метод пошагового сканирования, предусматривая получение отдельных последовательных кадров, перекрывающих отдельные участки сцены перпендикулярно направлению полета БОЭСДЗ [6,12].

а)

б)

Рис. 4. Схема четырехцифровой БОЭСДЗ компании NPO KSI а) расположение четырех объективов к надиру; б) размещение ФПЗС матриц в фокальной плоскости каждого из четырех объективов.

Использование блоков из четырех- или шестикадровых БОЭСДЗ, которые объединены в блоковой конфигурации вместо веерной, в настоящее время достаточно широко применяется в картографии и разведке.

Полученные фотографии трансформируются и объединяются, образуя одно близкое к вертикальному составное изображение в квадратном или прямоугольном формате, которое передается пользователю. Это итоговое составное изображение

обеспечивает требуемый охват территории в широкоформатном размере. В таком широком формате и при такой геометрии составное изображение может быть сразу использовано фотограмметрическими станциями (DPWs) и программными комплексами, созданными для работы с любыми типами кадровой съемки.

Схема построения аэрофотосъемочной системы, разработанной фирмой Zeiss в 1930-х гг., в настоящее время используется в современных цифровых БОЭСДЗ. В системе Z/I (сейчас Intergraph) DMC четыре среднеформатных кадровых БОЭСДЗ с ПЗС-матрицами 7k x 4k образуют систему перспективного просмотра. Все четыре изображения соединяются слегка внахлест вдоль двух своих сторон, образуя прямоугольное крупноформатное кадровое панхроматическое изображение с размером 13.5k x 8k = 108 мегапикселов. Полученное составное изображение затем может быть окрашено, чтобы приобрести цвет (в системе RGB) или «синтезированный цвет» (видимого и ближнего ИК-диапазонов), используя изображения, полученные с четырех кадровых дополнительных малоформатных (2k x 3k) мультиспектральных БОЭСДЗ, которые расположены параллельно в направлении, близком к вертикальному. Аналогичная геометрическая конструкция с использованием четырех кадровых среднеформатных цифровых БОЭСДЗ была разработана компаниями RolleiMetric и IGI. В системе RolleiMetric модель AIC x4 используются четыре цифровых Rollei AIC БОЭСДЗ, в каждой из которых применяется 39 мегапиксельных ПЗС-матриц производства фирмы Kodak. В системе IGI модель Quattro-DigiCAM также используются четыре цифровые БОЭСДЗ с аналогичными форматами снимков, разработанные фирмой Hasselblad; итоговое составное изображение имеет размер 145 мегапикселов [16].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Хани Мохаммед Хамед Вахба Эльшейх, 2015 год

Список литературы

1. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Современные проблемы инфракрасной техники.

- М.: Изд. МИИГАиК, 2011. - 84 с

2. Lareau B.G., Willey G.W., Bennett R.A. Electro-optical step-frame camera system with image motion compensation. EP patent 0830788 B1 (2000).

3. Matthews B.A., Coon B.H. Electro-optical reconnaissance system with forward motion compensation. EP patent 1313308A2 (2003).

4. Stuart N. Systems and methods of capturing large area images in detail including cascaded cameras and/or calibration features. US patent 8675068 B2 (2014).

5. William J.G.r William H.S. Partitioned-cavity tunable Fabry-Perot filter. US patent 7319560 B2 (2008).

6. Якушенков Ю.Г. Выбор схемы сканирования и определение основных конструктивных параметров инфракрасной системы дистанционного зондирования // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка.-2012.-№6.-С. 118-122.

7. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для вузов. Изд. 6-е. М.: Логос, 2011. 568 с.

8. Х. М. Эльшейх, Якушенков Ю. Г. Пространственное разрешение бортовых оптикоэ-лектронных систем дистанционного зондирования // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка.-2014.- №3.- С.109-114.

9. Х. М. Эльшейх, Якушенков Ю. Г. Временное разрешение бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования // Оптический журнал.

- 2014. - № 10.- С. 603-606.

10. H. M. ElSheikh, Yakushenkov Y.G. Spatial and temporal resolutions pixel level performance analysis of the onboard remote sensing electro-optical systems. JEOS: RP., V.9 (2014), № 14035-6

11. Х. М. Эльшейх, Якушенков Ю. Г. Oценка качества работы бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка.-2015.- №5.

12.Petrie G. Systematic oblique aerial photography using multiple digital frame cameras. PE&RS Journal , (2009), p. 102-107

13. http://www. gim-international. com/content/article/dimac-selected-twice

14. http://www.igi. eu/dual-digicam.html

15. http : //www.racurs .ru/

16.Медведев А.В, Гринкевич А.В, Князева С.Н. Практика конструктора оптико-электронной техники и техники ночного видения. M.: ROMZ, 2013.- 640 с.

17.http://www.geo-matching.com/category/id50-digital-aerial-cameras-.html

18. http://www.aerial-survey-base.com

19. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. -М.: Логос, 2004. - 444 с.

20. Тарасов В.В., Торшина И .П., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы 3-го поколения. / под ред. Ю.Г.Якушенкова. - М.: Логос, 2011.- 192 с.

21.Якушенков Ю.Г. Тенденции развития малогабаритных инфракрасных систем 3-го поколения, работающих активно-пассивным методом // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - № 3 (79). -С. 11-14.

22. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Тенденции совершенствования элементной базы инфракрасных систем 3-го поколения // Изв. вузов. Приборостроение. - 2012. -Т. 55. - № 5. - С. 56 - б3.

23. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Современное состояние и перспективы развития зарубежных тепловизионных систем // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. -2013. - № 3 (79). - С. 1-13.

24.http://ns1.npkgoi.ru/npk new/r1251/directions/dir2/optsystems/optsystems.htm

25. Ульянова Е. О, Алдохин П. А. ИК-объективы для широкоформатных охлаждаемых матричных фотоприемных устройств диапазонов 3-5 мкм и 8-12 мкм // Сборник материалов Международной научной конференции

«Сиб0птика-2014». X международная выставка и научный конгресс «Интерэкспо ГЕО-СИБИРЬ-2014». Новосибирск: СГГА, 2014. Т. 1. С. 32-36.

26.http://www.ianostech.com/products-services/thermal-imaging-lenses.html

27.http://lomo-tech.ru/?a=4&b=4&c=4

28.http://luggar.org/catalog/details/24/6/komponenti/teplovizionnie-obektivi

29. http: //www. astrohn. ru/termolens/termolens. html

30. http: //www. orion-ir.ru/produkciya/

31.http://www.selex-es.com

32.http://www.sofradir.com/products/?applications=airborne

33. http: //www.aim-ir.com

34. http://www.drsinfrared.com

35. http: //www. fit-leadintex.jp/maker/oem. php?pid= 110&bid=45

36. http: //www. indexprom. ru/good/6975

37.Rogalski A. History of infrared detectors. Opto-Electron. Rev., V.20 (2012), № 3.- С. 279-308.

38.http://www.flir.com/cvs/cores/ru/view/?id=51981& ga=1.114688014.822491345.14 35724626

39.http://www.noc-ltd.com

40.http://www.eoc-inc.com

41.http://modis.gsfc.nasa.gov/about/specifications.php

42.Шовенгердт Р.А. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений. Москва: Техносфера, 2010. - 560 с.

43.Joseph S.A., David L.S. Infrared and electro-optical systems handbook - vol.5 -Passive electro- optical systems, Textbook, (SPIE optical eng. press, Washington, 1993).

44.Torbjom S.r Hans E.T.r Stephane N.r Thomas O.r Trym H.r Ingebjorg K.r Atle R. Compact camera for multispectral and conventional imaging based on patterned filters. JOSA, Applied optics, v.53 (2014), No. 13

45.http://www.omegafilters.com/documents/file/0mega%200ptical%202012%20catal og.pdf

46.http://www.depsci.com/documents/newsroom/DSIMultispectral0pticalFilterAssemb ly2012.pdf

47.http://www.depsci.com/documents/newsroom/DSIMulitspectralFilters2013 .pdf

48.http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=56392

49.http: //www.ndt.net/article/qirt2014/papers/QIRT-2014-071.pdf

50.Daly.J.T, Bodkinh.A, Schnellerc.W, Kerrc.R, Notoc.J, Haren.R, Eismann.M, Karch.B. Tunable Narrow-Band Filter For LWIR Hyperspectral Imaging. Proceedings of SPIE Vol. 3948 (2000).- С.104-115.

51.Delaure B., Michiels B., Biesemans J., Livens S., Achteren T. V. The geospectral camera: a compact and geometrically precise hyperspectral and high spatial resolution imager. ISPRS, V.XL-1/W1 (2013) .- С.69-74.

52. Gupta N., Philip R.A., Songsheng .T. A miniature snapshot multispectral imager. Infrared Technology & Applications XXXVI, SPIE Vol. 7660(2010), 7660 2G-1.

53.http://www.semrock.com/Data/Sites/1/semrockpdfs/opticalengineering anderson.pdf

54. Gata N., Subramaniana S., Rossa S., LaBawb C., Bondc J. Thermal Infrared Imaging Spectrometer (TIRIS) Status Report. Infrared Technology & Applications XXIII, SPIE Vol. 3061(1997) .- С.1-9.

55.http://www.infratec.de/fileadmin/media/Sensorik/pdf/ApplNotes/Application note FP detectors.pdf

56.http://www.infratec.de/fileadmin/media/Sensorik/pdf/LFP-80105-337.pdf

57.http://www.irsystem.com/product/irparts/sensor/InfraTec/datasheet/LFP-3950L-337.pdf

58. http: //www.infratec. de/fileadmin/media/Sensorik/pdf/LFP-3041L .pdf

59. Тарасов B.B., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. - М.: Логос, 2007. - 192 с.

60.Савиных В.П., Соломатин В.А. Оптико-электронные системы дистанционного зондирования: Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 2014.- 432 с.

61. http://www. slideserve.com/azana/landsat-science-team-meeting-march-1 -2011

62. http : //www. qmagiq.com/hawk512. html

63. http://landsat. gsfc.nasa. gov/?p=5692

64.http://www.greenpolicy360.net/mw/images/Landsat8DataUsersHandbook.pdf

65. https://directory. eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/l/landsat-8-ldcm

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ «ВНЕШНИХ» И «ВНУТРЕННИХ» ПАРАМЕТРОВ НА ДОСТИЖЕНИЕ ТРЕБУЕМОГО РАЗРЕШЕНИЯ БОРТОВЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

В главе 3 получены оценки влияния отклонениях высоты и скорости полета носителя и углов отклонения от надира и визирования на отдельные участки сцены от их номинальных значений на достижение требуемого разрешения БОЭСДЗ. Ниже представлены формулы для оценки влияния отклонений других «внешних» и «внутренних» параметров от их номинальных значений на разрешения БОЭСДЗ.

При БОЭСДЗ, работающей по схеме, представленой на рис. 5, и при О'у = 0о и О'х < 90о величины погрешностей коэффициентов искажений оК , оК , оК ., ак .

х — г ТТ ' К. х-> К. у-> К. х К. у 1

по осям х и у при случайно изменяющихся величинах О'х , О'у, /', 6 и 6/

могут быть представлены как:

(2Л£\ гу2 = \dilj

2 эшП^ -

соб пу "я

КУ

где

N

дк

/

^X

дк

(дкх1 V 2 , (дкхЛ- 2 I со 53(пх±е0 )

о-

■ —

К-у1

N

№|\т2 =

\dSlJ

БШП;,;

-о'

соп-г "а

т ч+ш < .

со53(ах±в1) зт(п^±01) соб2 в

2 эт СОБ СО52(Пх±01) Бт в;

V" г соб 2

II £ (—)2 < + (^)ч2

л П- ч1+ ¿2 1 /'2 /\ 2 г "1 +

соз(Пх±01)

I й /

X /2

1+

¿2 лх2 /2

дк

_ 2 5т(пх±01) соб2 01 дПх СОБ3^!^)

дку1 _ зт(п^±01) соб в^

д Пх _ ± с о б2 (Пх ± в ¿) ,

При наблюдении вперед (вдоль оси у) при П'х = 0о и 0!у < 90о величины погрешностей коэффициентов искажений ( окх, ок', о^., о^.) по осям х и у могут

быть представлены в следующем виде:

N

2

/ дк'Л _ 51пПУ

\дПу/ соб 2Пу п;

О", ' =

N

N

где

дку-; . эт

(пу±07)

КУ]

/дку\ \dilyj ч= 2 бш пу соб3 пу ОПу ,

( дкУ] \дв] )2 ч+ /9/суД2 \дПу)

дв,

N

э/сд-у- 5т(пу±0^) соб в]

д Пу ± со б2 (Пу ± 07) ,

= + /2£ дв] ~ \

соб 2(пу±07) соз(пу±07)

зт(пу±0^) соб2 0 А 2 эт 0^- соб в] дку] 2 зт(пу±0^) соб2 0^

соз3(Пу±07)

соз2(пу±07) ' дПу

соб 3(Пу±07)

N

N

\2 )

1+:

/2

^ +

1+:

72 йу2

7

(98)

Величины погрешностей пространственного разрешения ог ог о^, о^, о . , о ., о', с,', о . и о . будут равны

1Х1 ' 1у1' 1а;' 1у' 1У7 г

<7, =

1Х0

N

(£)Ч+(£)"»?

N

@)Ч + £) 2оИт#) О/2'.

-

1У0

N

N

оЬ

°1х =

/эгЛ2 2 /э^у

1*о \дкх)

о1 =

N

(дЬ\2 2 +(ЩуХ

\dlyj Хо \дку)

о1 =

1ку2<

+ 1Уо2<

<7, . =

1У1

N

/ д1уЛ2 2 (д1уЛ \dlyj Хо \dkyj

=

К-У1

\ку1 О?

У о

+ *УоЧ2

У1

=

1У

N

\dlyj Ь О \дку)

= \к', о;

1У о

+ ¿УоЧ2

У

N

\д1х0) 1хо \дк^) кх}

<7, . =

1У]

N

(д1уЛ а2 I (д1уЛ

\dlyj 1УО \dkyj)

=

У7

'^х; о + 1 х о О2Х Г

\кУ]2<71уо + 1Уо2(Тку]

(99)

Величины погрешностей площади проекции пикселов МФПУ о^

ппО -

, , , равны

Лпп' лпш' Лпп ' Л™; г

ПП ]

О А =

N

^ ЭАДД V 2 /дАппУ 2 , {дАш\

УдАвв0) а^ио + {дкх) а*х + {дку)

^( ^х^у) °4ПП о + п п О^у) ^ + п ПО^х) 2 О^у ,

( кх ¿к у ¿) (7дп п о + (а п п 0ку ¿) . + (Л п п о/с х ¿) 2 су 1у ¿,

°А

N

( дАпп

дАии \ „2

)

_ +

1ппО

2 / (дАт[\ 2 , (дА'пп\

ик) V + \щ:)

у/ КУ

г2, кЛ1

°А ■ =

I д Лпп *) ^ пп о + (дКх^ ^ + (д ,

J(kxjkyj) &АПП0 + (^ппО^у;) акх; + (^гшО^х;) ^^

(100)

Величины погрешностей телесных углов оь , оЬ.., оь , оь , оп- , сп -

0 ¿7 в б в б ¿7 ьв п ьв п ¿7

будут равны

оьоЧ (£) Ч2 + (^) Ч Ч (£) + ^ .

N

'^ ЬЛ 2С2 2 С 2

д о о I + ^ д в п I %

и

-

Со... -

о

^ ( С О 53 в;у) 2С2о + ( - 3 Ьо с О 52 5 1 пв;у) 2о|.,

(Цб) Ч + (£)Ч-Ж^Ж0

N

N

9 2

/дЬб^Х 2 , / д Ь б ¿Д 2 , (д Ь б ¿Д ( д Ьо °Ьо + ( дв ¿7 ) Ч + ( дКх ¿ )

с о б Зв ¿ 2 1 ^ - 3 Ьо с о б 2 в ¿7 б тв ¿7

га * + (

¿9 + (-ь^) 2

о о

/дЬлХ2 2 , / д Ьп\2 „2 _ (Л ^.дЬоу' °Ьо + (д ^ % -л| (Ку

о

о

о 1 _2

, 2

а

вшу

N

N

Ш Ойо + Ш + Ш

^У)

( с о б 36>;Д2 2 ^ - 3 ас о б 2 ^¿у б ¡п6 ¿Д 2 2 ^ - а с о б 30 ¿Д ( ку, у! Оао + ( у! Ч + ( ^ у!

где

о п..

N

/ 5те1 СОБ2 б¿ \

двч _ ^сов2 +1 ^соб2 +1 у

1 -сое2 б¿

л сое2 в^д2в] +1

дв

дв]

ч _

СОБ3 01 гд 6] {рд2в] + 1)

3 1 ^ 1 -СОБ2 в;

соб в^д2вi + ix--

СОБ2 в^д2в : + 1

Погрешности размера зоны просмотра , , , , , равны

а, =

'-'ХО

N

(д г ж о) о х ^

N

2 _ \ь 2^2

О",. =

+ Ч>/1

О",' =

N

/СХ26Т2 + ¿х 2бтЯ

Х Х0 /Сд,

67, =

ьу о

N

(^2°) 2 о2 = Л/уог , \дгуо/ гу о у гуо'

%

/ Э1У у /дЬуУ

\dLyJ %о

а2 =

'^Чо + ч2<

в

°Ь =

Ьу

N

\dLyJ Ьо \dkyj

<у = К*2

2гт2

Ьо ^ иУо ак'

+ и

У

Погрешности площади зоны просмотра (кадра) о^ ко, о^ к , к равны

1к0

л! УдАпп0;

.2 _

1ппО

= МхЫуоА

ппО -

(Та =

(°Ак\ 2 , (°АЛ \дАк0) ^о + \дкх)

— ^( кх °4ко + к Оку) окх + кО^х) 2<оку ,

'ал

к

+, м

х' \ у

Ол' =

N

(дАК 2 , 2

+ V + И

у/

= р*ку)2<0 + (Ао^)Ч2; + (АкоЮ2^у

(103)

Оценка влияния отклонений «внешних» и «внутренних» параметров и характеристик БОЭСДЗ на временное разрешение систем представлена ниже. Погрешности времени пребывания изображения по оси у на элементе сцены ,

оТу , оТу., , о ^J^yJ при неопределённой величине Уу равны

°Гу0 =

N

X

<Тт =

1У

N

\дТу0) ТУ0 \dkyj

о2 =

'к УоТу о + ТуОоку,

(Тт . =

1 у1

N

+(9_ТуЛ

\дТу0) ТУ0 \dkyi)

К-У1

'к У 1оТу о + ТуОоку ¿,

67 =

N

\ЗТу0/ ТУО \дку)

а2< =

у/ "-У

+ Туо°1

<Тт . =

N

1д1у1\а 2 +

\ЗТу0/ Ьо \dkyjj

(104)

Погрешности частоты сканирования строк вдоль оси _у аууо, оу , оу^., оу

равны

ое =

/уо

N

( д Уу оо ! °2у о - ГУо07у о,

(7> =

Гу

N

(Цу)2 а2 +(21у.Х

\dfyo) \дку)

о1 =

N

<7 г . =

/у1

67,' = *У

N

(^£уЛ2 2 I (дТу1\ 2 _

\9/Уо/ % + и^/ -

N

№ + ш