СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ
METHOD FOR REMOTE EARTH PROBING

Заявляемое изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для оперативного получения качественных (высокого разрешения) изображений зондируемых участков земной поверхности, наблюдаемых из Космоса через турбулентную атмосферу.
Известны способы дистанционного зондирования Земли, реализованные в Российском спутнике ДЗЗ «Ресурс-ДК1», описанном в статье Г. Петри «Российский спутник «Ресурс-ДК1»: альтернативный источник данных сверхвысокого разрешения», (Геоматика, № 4, 2010 г.,стр. 38÷42[1]), находящемся на орбите с 15 июня 2006 года, и в недавно запущенном (26 июня 2013 года) российском спутнике «Ресурс-П», описанном в статье А.Н. Кирилина и др. «Космический аппарат «Ресурс-П», (Геоматика, № 4, 2010 г., стр. 23 ÷ 26).
Эти способы дистанционного зондирования Земли основаны на формировании оптического изображения зондируемого участка земной поверхности, подсвеченного излучением Солнца () и наблюдаемого из Космоса через турбулентную атмосферу, спектральной фильтрации и квадратичном детектировании сформированного изображения, его длинно-экспозиционной регистрации и передаче на Землю по радиолинии для последующей цифровой обработки и тематического анализа.
Недостатками этих способов, рассматриваемых здесь в качестве аналогов предлагаемого способа, является то, что в них не учитывается и не корректируется влияние турбулентности атмосферы, что ведет к ограничению достижимого в них разрешения.
0
Так, наличие в них полосы спектральной фильтрации ∆λ ≈ 1000 A приводит к частотному усреднению атмосферных флуктуаций светового излучения в формируемом изображении, а используемая в них при детектировании технология ВЗН (временной задержки и накопления) приводит к детектированию и регистрации длинно-экспозиционного изображения, усредненного по атмосферным искажениям. Отмеченные частотное и временное усреднение атмосферных флуктуаций в формируемом и детектируемом изображении ограничивают разрешение зондируемого участка Земной поверхности в телескопе рефракторе с диаметром апертуры D = 0,5 м величиной порядка ~ 1 м.
Известны способы дистанционного зондирования Земли из Космоса, реализованные в зарубежных спутниках дистанционного зондирования, таких, как QuickBird, WorldView 1 и 2 и GeoEye-1 производства США, описанных в статье В.В. Лаврова «Космические съёмочные системы сверхвысокого разрешения», (см. Геоинформационный портал ГИС-Ассоциации, № 2, 2010 г.[3]).Эти космические аппараты ДЗЗ, как и российские, основаны на получении длинно-экспозиционного изображения зондируемого участка земной поверхности и его последующей тематической обработке без учёта и компенсации влияния турбулентности атмосферы.  Здесь, как и в упомянутых выше российских способах дистанционного зондирования Земли, при реализации технологии временной задержки и накоплении (TDI) регистрируют длинно-экспозиционные изображения.
Отличием данных способов ДЗЗ от российских является использование зеркальной оптики для формирования изображения вместо линзовой и увеличение размеров формирующей оптики до диаметра апертуры D = 1,1 м. Это позволило увеличить качество изображений зондируемого участка земной поверхности уменьшением пространственного элемента разрешения: в QuickBird до 0,6 м, в WorldView до 0,5 м и в GeoEye-1 до 0,4 м. Эти способы также рассматриваются здесь в качестве аналогов.
В качестве прототипа предлагаемого способа нами взят «Способ дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ)»[4],описанный патенте Российской Федерации № 2531024 от 20.08.2014 года. Патентообладатель - ОАО «Российские космические системы», автор К.Н. Свиридов.
В этом способе, в отличие от аналогов, учитывается влияние турбулентной атмосферы на изображения ДЗЗ, его компенсация осуществляется алгоритмически при совместном использовании длинно-экспозиционного изображения ДЗЗ и серии из N спектрально-фильтруемых коротко-экспозиционных изображений, независимых друг от друга по атмосферным искажениям.
А
0
Предложенная в прототипе последовательность операций позволяет повысить качество (разрешение) среднего коротко-экспозиционного изображения зондируемого участка Земной поверхности по сравнению со средним длинно-экспозиционным изображением аналогов. Предложенная в прототипе технология получения изображений высокого разрешения является длительной, вследствие учета инерционности квадратичного детектора и применения стратегии «выборочного» кадра для получения независимых коротко-экспозиционных изображений в серии, а статистическая обработка коротко-экспозиционных изображений в изопланатичных областях также требует существенных временных затрат, кроме того ограниченная требуемым отсутствием частотного усреднения атмосферных искажений узкая полоса спектральной фильтрации ∆λ ∆λ= (∆λ≈250 A) ограничивает энергетику изображений ДЗЗ, восстанавливаемых с высоким разрешением.
Повышение качества длинно-экспозиционных изображений ДЗЗ при увеличении размеров приемной аппаратуры D телескопа, формирующего изображение в зарубежных космических аппаратах (D = 1,1 м) по сравнению с отечественными (D = 0,5м) легко объясняется работой средств ДЗЗ в ближней зоне (зоне Френеля) при распространении от каждой точки зондируемого участка земной поверхности расходящейся сферической волны отраженного солнечного излучения подсвета.
На Фиг. 1 представлена геометрия распространения сферической волны от земной поверхности к телескопу ДЗЗ через турбулентную атмосферу. Отсюда видно, что при распространении сферической волны от земной поверхности к космическому аппарату ДЗЗ на высоту H все пространственные характеристики сферической волны, включая искажения, приобретенные ею в турбулентной атмосфере (нижние L = 10 км, у земной поверхности) будут увеличиваться по мере ее распространения до высоты H и могут оказаться существенно большими размеров апертуры D телескопа ДЗЗ.
Действительно, это подтверждает проведенные нами исследования (см., например, К.Н. Свиридов «О предельном разрешении аэрокосмических систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ)», в научно-техническом журнале «Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы» Том 1, выпуск 1, 2014 г., с 34-40)[5].
0
Согласно [5] величина пространственного радиуса корреляции атмосферных флуктуаций r(H) увеличивается с высотой H до космического аппарата ДЗЗ и определяется как
0
r(,H)≈, (1)
0
где =0,1 м на границе турбулентного слоя L = 10 км. При этом на высоте H величина r(,H) оказывается большей величины апертуры D. При этом атмосферные искажения волнового фронта на приемной апертуре телескопа ДЗЗ (Рис.1) представлены только случайными наклонами волнового фронта, вызывающими случайные сдвиги изображения ДЗЗ в процессе его длинно-экспозиционной регистрации. Это соображение и лежит в основе предлагаемого здесь способа.
Предлагаемый способ дистанционного зондирования Земли, в отличие от прототипа, основан не на алгоритмическом, а на аппаратурном решении  проблемы достижения высокого качества (разрешения) изображений ДЗЗ.
Техническим результатом заявляемого способа дистанционного зондирования Земли является ускорение процесса компенсации атмосферных искажений для достижения высокого разрешения изображений ДЗЗ.
КЭ,
A
θ
,D
θ
,D
Э
А
Технический результат достигается тем, что коллимируют принимаемый телескопом поток светового излучения Солнца (), отраженного от зондируемого участка земной поверхности, и разделяют его на два пучка равной интенсивности, по одному из которых осуществляют преддетекторную адаптивную  компенсацию случайных наклонов волнового фронта, обусловленных турбулентной атмосферой, а по другому пучку осуществляют накопление адаптивно стабилизированных коротко-экспозиционных изображений, для чего по первому пучку измеряют величину и направление случайных наклонов волнового фронта и адаптивно компенсируют их в принимаемом потоке светового излучения за время τменьшее интервала временной корреляции атмосферных флуктуаций τ, (так называемого времени «замороженности» турбулентностей атмосферы), одновременно по второму пучку осуществляют спектральную фильтрацию адаптивно скорректированного по первому пучку принимаемого светового излучения в полосе ∆λ=/* (где *- среднеквадратичное отклонение атмосферных флуктуаций фазы θ волнового фронта светового излучения на приемной апертуре D при наличии адаптивной компенсации случайных наклонов волнового фронта) и, фокусируя его, формируют адаптивно стабилизированные коротко-экспозиционные изображения ДЗЗ, накапливают их при квадратичном детектировании за время регистрации τбольшее интервала временной корреляции атмосферных флуктуаций τ, и регистрируют среднее коротко-экспозиционное изображение, которое передают на Землю, где его пространственно фильтруют и восстанавливают изображение зондируемого участка земной поверхности, обладающее высоким разрешением.
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее:
На Фиг. 2  представлен вариант схемы реализации заявленного способа, на котором изображено:
Фиг. 2а - структурная схема канала адаптивного формирования изображений ДЗЗ, где:
1 - зеркальный телескоп космического аппарата ДЗЗ;
2 - коллимирующая оптика;
3 - плоское адаптивное качающееся зеркало - компенсатор случайных наклонов волнового фронта;
4 - полупрозрачное светоделительное зеркало;
5 - детектор случайных наклонов волнового фронта - сдвиговый интерферометр;
6 - блок адаптивного управления качающимся зеркалом;
7 - светофильтры;
8 - фокусирующая оптика;
9 - фокальная плоскость изображения;
Фиг. 2б - структурная схема канала детектирования и регистрации изображений ДЗЗ, где:
10 - электромеханический затвор;
11 - усилитель яркости изображения;
12 - оптика переноса;
13 - квадратичный панорамный детектор;
14 - цифровая система обработки видеосигнала;
15 - бортовой компьютер;
16 - кодирующее устройство;
17 - бортовая РЛС;
Фиг. 2в - структурная схема канала обработки изображений ДЗЗ, где:
18 - наземная РЛС;
19 - декодирующее устройство;
20 - вычислительные средства;
21 - программное обеспечение;
22 - алгоритмическое обеспечение обработки изображений ДЗЗ;
23 - АРМ оператора;
24 - потребители изображений ДЗЗ высокого разрешения.
max
0
D-Э
max
К-Э
max
На Фиг. 3 представлена зависимость нормированного разрешения R/Rот нормированного диаметра телескопа D/rдля среднего длинно-экспозиционного R/Rи среднего коротко-экспозиционного изображения R/R[4].
При этом следует отметить, что канал формирования изображений ДЗЗ и канал детектирования и регистрации изображений ДЗЗ находятся на борту космического аппарата ДЗЗ, а канал обработки изображений ДЗЗ находится на Земле и связан с ними по радиолинии.
Рассмотрим реализацию предлагаемого способа в соответствии, со схемой, представленной на Фиг. 2.
Телескоп космического аппарата ДЗЗ - 1 осуществляет прием светового излучения Солнца, отраженного от зондируемого участка земной поверхности, и формирует искаженное атмосферой изображение зондируемого участка земной поверхности, наблюдаемого из космоса через турбулентную атмосферу.
Коллимирующая оптика -2 создает параллельный пучок принимаемого светового излучения, необходимый для правильной работы последующих оптических элементов.
3 - адаптивное плоское зеркало, осуществляющее компенсацию случайных наклонов волнового фронта принимаемого светового излучения;
4 - светоделительное зеркало, разделяющее принимаемое световое излучение на два пучка равной интенсивности.
К-Э
А
А
А
Аmin
К-Э
А
θ,D
По первому пучку в детекторе случайных наклонов волнового фронта - сдвиговом интерферометре - 5 измеряют величину и направление случайных наклонов волнового фронта и с помощью блока управления - 6 по информации полученной с интерферометра 5, управляемыми наклонами адаптивного плоского зеркала 3 компенсируют случайные наклоны волнового фронта принимаемого светового излучения за время τ меньшее интервала временной корреляции атмосферных флуктуаций τ. В соответствии с проведенными исследованиями (см., например, К.Н. Свиридов «Технологии достижения высокого углового разрешения оптических систем атмосферного видения» издание «Знание» М. 2005 г.) [6], величина τ изменяется в широких пределах τ= (1÷100)мсек и имеет минимальные значения τ=1 мсек. Учитывая это необходимо осуществлять адаптивную компенсацию случайных наклонов волнового фронта за время τ≤ τ=1 мсек. Далее пучок 2 с адаптивно скорректированным волновым фронтом спектрально фильтруют турелью со светофильтрами 7. При этом полоса частот спектральной фильтрации ∆λ выбирается исходя из величины среднеквадратичного отклонения  атмосферных искажений фазы θ волнового фронта светового излучения и определяется выражением
θ,D
∆λ=/ (2)
(см. например, К.Н. Свиридов и др. «Статическая оценка спектральной полосы метода пятенной интерферометрии» Оптика и спектроскопия, т. 54, вып. 5, стр. 890, 1983 г.) [7].
Наличие спектральной фильтрации в указанной полосе обеспечивает когерентность атмосферных фазовых флуктуаций в принимаемом световом излучении.
θ,D
При отсутствии адаптивной компенсации случайных наклонов волнового фронта (в прототипе) величина среднеквадратичного отклонения атмосферных искажений фазы волнового фронта определяется в радианах как [6]
θ,D
5/6
= 2π 0,16 ([рад] (3)
0
0
и имеет максимальное значение порядка 20 радиан. При этом требуемая величина спектральной фильтрации в прототипе при  А равняется величине ∆λ ≤ 250 A.
θ
,D
При адаптивной компенсации случайных наклонов волнового фронта величина * уменьшается и определяется выражением
θ
,D
5/6
* = 2π 0,06 ([рад] (4)
0
При этом допустимая величина спектральной фильтрации в предлагаемом способе увеличивается по сравнению с прототипом в 2,66 раза и оказывается равной ∆λ ≤ 667 А. Это расширение требуемой полосы спектральной фильтрации в предлагаемом способе позволяет повысить энергетику формируемого изображения.
Фокусирующая оптика 8 формирует отфильтрованные и адаптивно стабилизированные, путем компенсации случайных наклонов, коротко-экспозиционные изображения зондируемого участка земной поверхности в фокальную плоскость 9, содержащую затвор 10 канала детектирования и регистрации изображений ДЗЗ.
Электромеханический затвор 10, синхронизированный с частотой кадров квадратичного панорамного детектора 13, обеспечивает требуемое время накопления адаптивно стабилизированных коротко-экспозиционных изображений для получения среднего коротко-экспозиционного изображения.
Усилитель яркости изображения 11 должен обеспечивать работу квадратичного детектора 13 в квантово-ограниченном режиме, когда квантовые шумы преобладают над другими шумами процесса детектирования. В качестве усилителя яркости изображения на борту космического аппарата целесообразно использовать микроканальные пластины (МКП), которые обладают меньшим весом и габаритами, чем электронно-оптические преобразователи (ЭОП).
Оптика переноса 12 проецирует изображение объекта с выхода  усилителя яркости изображения 11 на вход квадратичного панорамного детектора 13 без изменения ракурса. В качестве оптики переноса можно использовать, например набор линз или волоконную оптику, обладающую меньшими потерями света при передаче изображения.
Квадратичный панорамный детектор 13 (например, ПЗС матрица) предназначен для квадратичного детектирования адаптивно стабилизированных коротко-экспозиционных изображений и их накопления при регистрации для получения среднего коротко-экспозиционного изображения ДЗЗ.
В предлагаемом способе, в отличии от прототипа, для получения среднего коротко-экспозиционного изображения не используется технология «выборочного» кадра, формировавшая коротко-экспозиционные изображения 14, независимые друг от друга по атмосферным искажениям, и устранявшая влияние инерционности квадратичного детектора. В предлагаемом способе для накопления адаптивного стабилизированных коротко-экспозиционных изображений используется технология детектирования и накопления каждого кадра.
К-Э
п
К
При этом выигрыш во времени получения каждого коротко-экспозиционного изображения здесь при времени одного кадра τравен промежутку τ=7·τ между формируемыми в прототипе независимыми коротко-экспозиционными изображениями.
Этот выигрыш во времени получения среднего коротко-экспозиционного изображения ДЗЗ в предлагаемом способе по сравнению с прототипом оказывается еще больше, так как в предлагаемом способе отсутствует необходимость трудоемкой последетекторной обработки независимых коротко-экспозиционных изображений в их изопланатичных областях.
Цифровая система обработки видеосигнала 14 предназначена для оцифровки среднего коротко-экспозиционного изображения, поступающего с квадратичного детектора 13. Оцифрованные в системе обработки видеосигналов 14 видеосигналы с квадратичного детектора 13 записываются в цифровую память бортового компьютера 15.
Далее оцифрованные средние коротко-экспозиционные изображения из памяти компьютера 15 поступают в кодирующее устройство 16 и с помощью РЛС - 17 по радиолинии передаются на Землю для последующей обработки.
Обработка средних коротко-экспозиционных изображений зондируемого участка земной поверхности, полученных на борту космического аппарата ДЗЗ в соответствии с Фиг. 2а и Фиг. 2б и переданных по радиолинии на Землю, осуществляется по схеме, представленной на Фиг. 2в.
Наземная РЛС 18 принимает по радиолинии информацию с бортовой РЛС 17.
Декодирующее устройство 19 преобразует сигналы от наземной РЛС 18 к виду, удобному для записи в память вычислительных средств 20.
Вычислительные средства 20 предназначены для реализации алгоритма обработки средних коротко-экспозиционных изображений ДЗЗ 22.
Программное обеспечение (ПО) 21 вычислительных средств 20, предназначено для организации процесса работы вычислительных средств 20 по реализации алгоритма обработки изображений ДЗЗ 22.
Алгоритмическое обеспечение 22 обработки средних коротко-экспозиционных изображений ДЗЗ представляет последовательность операций над зарегистрированным средним коротко-экспозиционным изображением, обеспечивающих достижение поставленной цели - повышения качества (разрешения) обрабатываемых изображений зондируемого участка земной поверхности.
АРМ оператора 23предназначено для контроля процесса обработки и анализа качества (разрешения) обрабатываемых изображений в процессе реализации алгоритма обработки изображений ДЗЗ 22.
В соответствии с предлагаемым здесь алгоритмом обработки средних коротко-экспозиционных изображений осуществляют следующую последовательность операций:
1) преобразуют зарегистрированное среднее коротко-экспозиционное изображение ДЗЗ по Фурье в область пространственного спектра
к-э
d = <(> (5)
2) пространственно фильтруют спектр сформированного среднего коротко-экспозиционного изображения средней коротко-экспозиционной оптической передаточной функцией системы атмосфера-телескоп;
к-э
<(>· = <( (6)
3) при обратном п. 1) Фурье преобразовании от фильтрованного пространственного спектра п. 2) восстанавливают изображение зондируемого участка земной поверхности, свободное от влияния турбулентности атмосферы и обладающее высоким разрешением.
(d =  (7)
Предлагаемый здесь алгоритм обработки изображений 22 представляет собой три последних операции алгоритма обработки изображений 18 в прототипе. Эти три операции представляют одну третью часть из девяти операций, осуществляющих обработку изображений в прототипе, и, хотя операции являются различными по сложности и времени выполнения, можно условно считать, что в предлагаемом здесь способе обработка будет осуществляться в три раза быстрее, чем в прототипе.
max
0
D-Э
max
К-Э
max
Математическое обоснование предлагаемого способа ДЗЗ аналогично математическому обоснованию прототипа[4], в результате которого получены аналитические зависимости и построены графики (Фиг. 3) зависимости нормированного разрешения R/Rот нормированного диаметра телескопа D/rдля среднего длинно-экспозиционного изображения R/R(система ДЗЗ без компенсации атмосферных искажений) и среднего коротко-экспозиционного изображения R/R(система ДЗЗ с адаптивной компенсацией случайных наклонов волнового фронта). Аналитически  зависимость для среднего коротко-экспозиционного изображения([4] формула(19) получена путем устранения при усреднении мгновенного наклона волнового фронта. Это соответствует предложенной здесь процедуре адаптивной преддетекторной компенсации случайных наклонов волнового фронта, что свидетельствует о достижении высокого разрешения в предлагаемом способе за существенно меньшее время, чем в прототипе.
Действительно, адаптивная компенсация случайных наклонов волнового фронта и получение среднего коротко-экспозиционного изображения при накоплении адаптивно стабилизированных мгновенных изображений, используя  стратегию детектирования каждого кадра, в отличие от стратегии «выборочного» кадра в прототипе, позволяет сократить время получения среднего коротко-экспозиционного изображения по сравнению с прототипом в 7 раз за счет устранения процедуры получения независимых друг от друга по атмосферным искажениям коротко-экспозиционных изображений в каждом восьмом выборочном кадре. При обработке изображений в предлагаемом способе по сравнению с прототипом происходит дополнительное сокращение времени более чем в 3 раза. Таким образом предлагаемый способ получения изображения ДЗЗ высокого разрешения по сравнению с прототипом позволяет ускорить процесс получения качественного изображения ДЗЗ в ~ 21 раз.
θ
,D
θ
,D
0
0
Одновременно с этим адаптивная компенсация случайных наклонов волнового фронта уменьшает величину среднеквадратичного отклонения *атмосферных искажений фазы θ волнового фронта светового излучения в 2,66 раза (0,16/0,06), что позволяет увеличить допустимую величину полосы спектральной фильтрации ∆λ = /*также в 2,66 раза и расширить ее с величины 250А в прототипе до величины ∆λ = 667Ав предлагаемом способе. Это увеличение полосы спектральной фильтрации позволяет улучшить энергетические характеристики формируемого изображения зондируемого участка земной поверхности.
Здесь, как и в прототипе, максимальный выигрыш в разрешении по сравнению с аналогами составляет примерно в 8 раз (в 4 раза при преддетекторной адаптивной компенсации случайных наклонов волнового фронта и ещё примерно в 2 раза при последетекторной фильтрации среднего коротко-экспозиционного изображения).
Основная цель, достигаемая в данном изобретении, - ускорение процесса получения изображений ДЗЗ высокого качества (разрешения) -является чрезвычайно важной в условиях движения КА ДЗЗ с космической скоростью.
Источники информации
1. Г.Петри «Российский спутник «Ресурс-ДК1»:альтернативный источник данных сверхвысокого разрешения», Геоматика, №4, 2010, с.38-42, (аналог).
2. А.Н.Кирилин и др. «Космический аппарат «Ресурс-П», Геоматика, №4, 2010, с.23-26, (аналог).
3. В.В.Лавров «Космические съёмочные системы сверхвысокого разрешения» Геоинформационный портал ГИС-Ассоциации, №2, 2010, (аналоги).
4. К.Н.Свиридов «Способ дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ)», авторская заявка на изобретение №2013125540 от 03.06.2013, Патент РФ №2531024 от 20.08.2014, патентообладатель ОАО «Российские космические системы», (прототип).
5. К.Н.Свиридов «О предельном разрешении аэрокосмических систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ)», Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, том 1, вып.1, 2014, с.34-40.
6. К.Н.Свиридов «Технологии достижения высокого углового разрешения оптических систем атмосферного видения», изд. «Знание», М., 2005.
7. К.Н.Свиридов и др. «Статистическая оценка спектральной полосы метода пятенной интерферометрии», Оптика и спектроскопия, т.54, вып.5, с.890, 1983.