МНОГОСПЕКТРАЛЬНОЕ СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
MULTISPECTRAL SCANNING DEVICE

Данное предложение относится к области приборостроения и может быть использовано для регистрации изображения подстилающей поверхности с борта космического аппарата (КА) одновременно во множестве спектральных диапазонов оптического излучения при решении задач исследования природных ресурсов Земли, прогнозирования и анализа стихийных бедствий, разведки лесных пожаров, месторождений полезных ископаемых, оценки экологической обстановки в районах техногенных катастроф, создания городских кадастров.
Устройства для регистрации изображения подстилающей поверхности в большом количестве узких спектральных диапазонов оптического излучения известны. Они могут быть выполнены в виде оптико-электронных систем на основе дихроичных спектральных покрытий [1]. Дихроичные фильтры позволяют построить спектроделительную систему, которая делит один и тот же поток излучения, прошедший через объектив, на несколько разнесенных в пространстве и разделенных по спектральному составу пучков. Количество спектральных каналов напрямую определяется числом применяемых дихроичных фильтров и их число не может быть большим, так как введение каждого нового элемента в оптическую систему серьезно усложняет его компоновку, изготовление и эксплуатацию. Примерами могут быть устройство HRVIR на КА «Spot-4», имеющее пять спектральных каналов при пространственном разрешении 10/20 м и полосе захвата 60 км, и устройство МСУ-Э на КА серии «Ресурс-О» и «Метеор-3М», имеющее три спектральных канала при пространственном разрешении 34 м и полосе захвата 45 км.
Получение большего числа спектральных каналов возможно за счет использования интерферометров [2]. Фотопреобразователи интерферометра регистрирует световое поле в точке схождения двух отраженных интерферирующих лучей, а именно изображение центрального интерференционного кольца. Если выполнить частотный анализ зарегистрированного сигнала, например, с использованием численного преобразования Фурье, то можно восстановить спектральный состав и интенсивность входящего пучка. Однако интерференционный Фурье-спектрорадиометр конструктивно и технологически сложен и требует точной стабилизации температуры основных элементов конструкции. Примером может быть устройство FTHSI на КА «MightySat II», имеющее 256 спектральных каналов при пространственном разрешении 30 м и полосе захвата 30 км.
Детальная регистрация спектрального состава оптического изображения может быть достигнута введением в состав устройства диспергирующей системы в виде призмы или дифракционной решетки [3]. Такие устройства получили название видеоспектрометров. Примерами являются видеоспектрометр на КА «Ресурс-П» [4], имеющий 96-255 спектральных каналов при пространственном разрешении 30 м и полосе захвата 30 км, и видеоспектрометр Hyperion на К А «ЕО-1», имеющий 220 спектральных каналов при пространственном разрешении 30 м и полосе захвата 7,5 км.
Одной из основных проблем разработки устройств для регистрации изображения подстилающей поверхности с борта КА является выбор пространственных и спектральных параметров, к которым относятся пространственное разрешение на местности, полоса захвата, спектральное разрешение и число спектральных каналов. Данная ситуация обусловлена большим перечнем задач, решаемых по изображениям подстилающей поверхности и требующих по отдельности различных параметров регистрации информации. Требуемые параметры могут отличаться на порядки, например, для создания городских кадастров необходимо субметровое пространственное разрешение при полосе захвата в десятки километров и широкий панхроматический спектральный диапазон со спектральным разрешением в сотни нанометров, а для оценивания последствий лесных пожаров достаточным является пространственное разрешение в единицы десятков метров при полосе захвата в сотни километров и несколько спектральных каналов со спектральным разрешением в десятки нанометров. С учетом малых потоков оптического излучения в орбитальных условиях съемки технологически сложным является создание универсального многоспектрального сканирующего устройства с предельными по значениям пространственными и спектральными параметрами. На практике используются специализированные устройства, обладающие высокими характеристиками только по отдельным пространственным или спектральным параметрам.
Общей тенденцией совершенствования многоспектральных систем является улучшение спектрального разрешения и увеличение числа регистрируемых спектральных каналов при сохранении приемлемых пространственных параметров: пространственного разрешения на местности и полосы захвата. Рассмотренные устройства [1-4] имеют пространственное разрешение, которого достаточно для решения задач исследования площадных объектов наблюдения, например, при оценивании урожайности сельскохозяйственных культур, определении ледовой обстановки в зоне проводки морских караванов и др. Вместе с тем, такого пространственного разрешения не достаточно для решения целого ряда практических задач исследования малоразмерных объектов наблюдения, например, объектов инфраструктуры городов при создании кадастров, промышленных предприятий в задаче оценки экологической обстановки и безопасности и др. Улучшение пространственного разрешения на местности приводит к резкому ухудшению отношения сигнал/шум в каждом спектральном канале из-за необходимости применения длиннофокусной оптической системы, имеющей низкую светосилу. В работе [5] показано, что для сигналов, заданных на конечных интервалах определения, равномерная дискретизация не является оптимальной. Для видеоспектрометров это означает, что интервалы дискретизации спектра, задающие число спектральных каналов и их спектральное разрешение, должны быть неравномерными и определяться решаемой задачей, то есть спектральными характеристиками объектов наблюдения и фоновой обстановки. Следует особо отметить, что малоразмерные объекты имеют, как правило, техногенную природу, то есть созданы руками человека, и поэтому спектральный состав отраженного ими излучения не содержит столько дополнительной информации, сколько содержит излучение, отраженное природными образованиями (например, производственные корпуса любого завода выполнены из различных сортов бетона, имеющих примерно однотипные спектральные характеристики). Таким образом, при решении задач исследования природных ресурсов Земли для многоспектрального сканирующего устройства требуется высокое спектральное разрешение при, возможно, некотором ухудшении пространственного разрешения; при решении задач наблюдения за техногенными объектами, наоборот, требуется высокое пространственное разрешение при, возможно, некотором ухудшении спектрального разрешения. Известные устройства для преобразования изображения подстилающей поверхности в видеосигнал имеют фиксированное пространственное и спектральное разрешение и предназначены для решения, как правило, только одной задачи: либо наблюдения за техногенными объектами, либо исследование природных ресурсов Земли. Вместе с тем, для некоторых частных задач, объектами в которых являются явления и процессы на территориях площадью в единицы и десятки квадратных километров, например, контроль разливов рек, очагов лесных пожаров, локальных чрезвычайных ситуаций, некоторых природно-техногенных комплексов: мест разработки шахт, карьеров, рассмотренные устройства [1-4] имеют избыточный параметр по ширине полосы захвата. То есть эффективность решения конкретных прикладных задач по наблюдению малоразмерных объектов известными устройствами является низкой, так как совместно с полезной информацией об интересующем участке подстилающей поверхности регистрируется и передается не имеющая практической ценности информация об окружающей обстановке. В этом вопросе наибольшее влияние на эффективность решения задач оказывает низкая оперативность передачи общего потока зарегистрированной информации по радиолинии связи «КА - Земля», в котором только некоторая часть информации имеет практическую ценность.
Указанные недостатки в значительной степени устранены в известном устройстве [6], которое может быть выбрано в качестве технического решения, наиболее близкого к заявляемому. Многоспектральное сканирующее устройство [6] содержит блок передачи информации, последовательно размещенные оптическую систему и матрицу фотопреобразователей, состоящую из N линеек фотопреобразователей, соответствующих числу N максимально возможного количества регистрируемых зон спектра оптического излучения подстилающей поверхности, причем ориентация каждой линейки фотопреобразователей совпадает с ориентацией входной щели и перпендикулярна направлению полета носителя аппаратуры.
Особенность известного устройства [6] состоит в том, что дополнительно введены М групп по N ключей в каждой, М сумматоров, привод оптической системы с переменным фокусным расстоянием, оптическая система выполнена в виде оптической системы с переменным фокусным расстоянием, причем выход i-й линейки матрицы фотопреобразователей подключен одновременно к входу i-го ключа в каждой j-й группе ключей, выход i-го ключа j-й группы ключей соединен с i-м входом j-го сумматора, выход каждого из которых подключен к j-му входу блока передачи информации, а блок управления выполнен с возможностью управления работой ключей таким образом, что на выходе j-го сумматора будет действовать видеосигнал, пропорциональный сумме видеосигналов с выходов N линеек матрицы фотопреобразователей (; ; M≤N), и одновременного управления приводом оптической системы с переменным фокусным расстоянием в зависимости от режима работы, увеличивая или уменьшая фокусное расстояние, при этом соответствующие выходы блока управления соединены с управляющим входом каждого ключа непосредственно, с входом управления фокусным расстоянием оптической системы с переменным фокусным расстоянием через привод оптической системы с переменным фокусным расстоянием и входом блока передачи информации, причем информация о режиме работы блока управления либо заранее закладывается в блок управления, либо передается по командной радиолинии на вход блока управления.
Многоспектральное сканирующее устройство [6] позволяет повысить эффективность решения задач исследования ресурсов Земли и наблюдения за техногенными объектами с помощью одного устройства.
Вместе с тем, при решении задач исследования ресурсов Земли и наблюдения за техногенными объектами с помощью многоспектрального сканирующего устройства [6] не учитываются пространственные размеры и расположение интересующих объектов на подстилающей поверхности в пределах полосы захвата. В случае регистрации изображения подстилающей поверхности в полосе захвата устройства при съемке малоразмерных объектов в отношении решаемой задачи будет наблюдаться пространственная избыточность информации. По радиолинии связи «КА - Земля» будет передаваться вся зарегистрированная информация, из которой практическую ценность для потребителя имеет только некоторая часть. При наблюдении малоразмерных объектов, пространственные размеры которых существенно меньше полосы захвата устройства, потребителю необходима только та часть зарегистрированной информации, которая с заданной вероятностью содержит изображение интересующего малоразмерного объекта. При наблюдении объектов, пространственные размеры которых сопоставимы с полосой захвата устройства или превосходят ее, потребителю необходима вся зарегистрированная информация. Устройство [6] предназначено для передачи всей зарегистрированной информации, поэтому при решении не одной, а нескольких задач по разным интересующим объектам, в том числе по малоразмерным объектам, потребители вынуждены ожидать передачи и приема всей зарегистрированной информации, которая в некоторой степени будет иметь пространственную избыточность. С учетом ограниченной пропускной способности радиолинии связи «КА - Земля» можно говорить о низкой оперативности передачи полезной информации.
Таким образом, недостаток известного многоспектрального сканирующего устройства [6] состоит в низкой оперативности передачи полезной информации по радиолинии связи «КА - Земля» при решении задач исследования ресурсов Земли и наблюдения за техногенными объектами с помощью одного устройства.
Цель настоящего предложения состоит в повышении оперативности передачи полезной информации по радиолинии связи «КА - Земля» при решении задач исследования ресурсов Земли и наблюдения за техногенными объектами.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство [6] дополнительно введена группа из М-числа вторых ключей. Видеосигнал с выхода j-го сумматора поступает на информационный вход соответствующего j-го второго ключа (). Сигнал с информационного выхода j-го второго ключа поступает на j-й информационный вход дополнительного бортового запоминающего устройства, которое служит для хранения полезной информации об интересующем малоразмерном объекте. Каждый второй ключ через управляющий вход соединен с соответствующим выходом блока управления. Открытие и закрытие М вторых ключей выполняется синхронно. Каждый j-й второй ключ пропускает по длительности не весь видеосигнал суммированных спектральных каналов, поступающий с j-го сумматора, а только его часть, содержащую полезную информацию об интересующем малоразмерном объекте. Моменты открытия и закрытия каждого j-го второго ключа по времени определяются исходя из прогноза движения КА, его ориентации в период съемки интересующего малоразмерного объекта, которая задает положение проекции полосы захвата на подстилающей поверхности, расположения интересующего малоразмерного объекта на подстилающей поверхности в пределах полосы захвата устройства и суммарной ошибки наведения устройства на интересующий малоразмерный объект. Теоретические исследования [7] и практика создания современных КА с многоспектральными сканирующими устройствами [8] на типовых для дистанционного зондирования круговых орбитах (600-700 км) показывают, что суммарная ошибка наведения устройства на интересующий малоразмерный объект с высокой вероятностью составляет единицы километров, что для систем высокого пространственного разрешения (менее 10 м) на порядок меньше характерной величины полосы захвата, а для систем среднего пространственного разрешения (менее 100 м) - на два порядка. С учетом известной суммарной ошибки наведения можно произвести вероятностный прогноз положения интересующего малоразмерного объекта в пределах полосы захвата при регистрации устройством изображения подстилающей поверхности и определить на каком участке видеосигнала суммированных спектральных каналов будет содержаться полезная информация об интересующем малоразмерном объекте. Это обеспечивает выделение из всего потока информации ее полезной части, содержащей спектральные изображения интересующего малоразмерного объекта на подстилающей поверхности. Таким образом, в дополнительном бортовом запоминающем устройстве записывается полезная информация об интересующем малоразмерном объекте. Информационный выход дополнительного бортового запоминающего устройства через переключатель соединен с входом блока передачи информации. Кроме того, сигналы с выходов М сумматоров поступают на информационные входы бортового запоминающего устройства, в котором записывается все зарегистрированная информация. Информационный выход бортового запоминающего устройства через переключатель соединен с входом блока передачи информации. Состояние переключателя определяет состав информации, которая будет передаваться по радиолинии связи «КА - Земля»: полезная информация об интересующем малоразмерном объекте или вся зарегистрированная информация. Это обеспечивает при наблюдении интересующих малоразмерных объектов, пространственные размеры которых существенно меньше полосы захвата устройства, получение потребителем только той части зарегистрированной информации, которая с заданной вероятностью содержит изображение интересующего малоразмерного объекта, что существенно увеличит скорость передачи полезной информации потребителю. Таким образом, предлагаемое устройство способно повысить оперативность передачи полезной информации по радиолинии связи «КА - Земля» при решении задач исследования ресурсов Земли и наблюдения за техногенными объектами.
Структурная схема предлагаемого устройства представлена на Фиг. 1. Устройство содержит последовательно размещенные оптическую систему с переменным фокусным расстоянием 1, входную щель 2, диспергирующую систему 3 и матрицу фотопреобразователей 4. Матрица фотопреобразователей 4 состоит из N-числа линеек фотопреобразователей, где N - максимальное число спектральных каналов. Матрица фотопреобразователей 4 может быть выполнена в виде линейных приборов с зарядовой связью. Входная щель 2 размещена перпендикулярно направлению полета носителя аппаратуры. Ориентация каждой линейки матрицы фотопреобразователей 4 совпадает с ориентацией входной щели 2. Выход каждой i-й () линейки матрицы фотопреобразователей 4 одновременно подключен к информационному входу каждого i-го ключа 5 j-й (, М≤N) группы ключей 5. Общее число ключей 5 равно М×N. Информационный выход каждого i-го ключа 5 j-й группы подключен к i-му входу j-го сумматора 6. Общее число сумматоров 6, подключаемых к выходу одной линейки матрицы фотопреобразователей 4 через соответствующие ключи 5, равно М (М≤N). Выход каждого j-го сумматора 6 подключен к информационному входу j-го второго ключа 7 и j-му информационному входу бортового запоминающего устройства 8. Общее число вторых ключей 7 равно М. Бортовое запоминающее устройство 8 имеет М j-х информационных входов. Информационный выход каждого j-ого второго ключа 7 соединен с соответствующим j-м информационным входом дополнительного бортового запоминающего устройства 9. Дополнительное бортовое запоминающее устройство 9 имеет М j-х информационных входов. Информационный выход дополнительного бортового запоминающего устройства 9 подключен к первому информационному входу переключателя 10, информационный выход которого соединен с входом блока передачи информации 11. Информационный выход бортового запоминающего устройства 8 подключен ко второму информационному входу переключателя 10. Вход блока управления 12 устройства соединен с выходом командной радиолинии 13. Соответствующие выходы блока управления 12 соединены с приводом 14 оптической системы с переменным фокусным расстоянием 1, управляющим входом блока передачи информации 11, управляющим входом переключателя 10, управляющим входом дополнительного бортового запоминающего устройства 9, управляющим входом бортового запоминающего устройства 8, управляющим входом каждого j-го второго ключа 7 и управляющим входом каждого i-го ключа 5.
Работает предлагаемое устройство следующим образом. Оптическое изображение строки подстилающей поверхности, определяемое полосой захвата устройства и содержащее изображение интересующего объекта, с помощью оптической системы с переменным фокусным расстоянием 1 и входной щели 2 проецируется на диспергирующую систему 3. Спектр изображения строки подстилающей поверхности с выхода диспергирующей системы 3 проецируется на светочувствительную поверхность матрицы фотопреобразователей 4. Ориентация входной щели 2 и линеек матрицы фотопреобразователей 4 выбраны таким образом, что на каждую линейку матрицы фотопреобразователей 4 проецируется i-й () спектральный диапазон оптического изображения строки подстилающей поверхности. Протяженность каждой линейки матрицы фотопреобразователей 4 определяет количество пространственных элементов разложения в строке. Видеосигнал с выхода каждой линейки матрицы фотопреобразователей 4 через соответствующие ключи 5 поступает на входы сумматоров 6. Блок управления 12 управляет работой ключей 5 таким образом, что на выходе j-го сумматора 6 () будет действовать видеосигнал, пропорциональный сумме видеосигналов с выходов нескольких линеек матрицы фотопреобразователей 4, то есть j-й сумматор 6 может суммировать видеосигналы от двух до N спектральных каналов в зависимости от команды, поступающей от блока управления 12. Видеосигналы с выхода каждого j-го сумматора 6 одновременно поступают через соответствующий j-й информационный вход каждого второго ключа 7 на соответствующий j-й информационный вход дополнительного бортового запоминающего устройства 9, в котором записывается полезная информация об интересующем малоразмерном объекте, и на соответствующий j-й информационный вход бортового запоминающего устройства 8, в котором записывается вся зарегистрированная информация. Вторые ключи 7 работают синхронно. Блок управления 12 задает моменты открытия и закрытия каждого j-го второго ключа 7 по времени, управляет работой вторых ключей 7 таким образом, что на информационные входы дополнительного бортового запоминающего устройства 9 поступают участки видеосигналов спектральных каналов, содержащие полезную информацию об интересующем малоразмерном объекте. Таким образом, по окончании регистрации изображения подстилающей поверхности в полосе захвата устройства в дополнительном бортовом запоминающем устройстве 9 будет зафиксирована полезная информации об интересующем малоразмерном объекте, а в бортовом запоминающем устройстве 8 будет храниться вся зарегистрированная информация. Блок управления 12 по команде с командной радиолинии 13 с помощью переключателя 10 подключает информационный вход блока передачи информации 11 либо к выходу дополнительного бортового запоминающего устройства 9, либо к выходу бортового запоминающего устройства 8, и блок передачи информации 11 осуществляет передачу информации по радиолинии связи «КА - Земля» потребителю. Блок управления 12 управляет блоком передачи информации 11, переключателем 10, дополнительным бортовым запоминающим устройством 9 и бортовым запоминающим устройством 8 таким образом, что после записи полезной информации об интересующем малоразмерном объекте и всей зарегистрированной информации в соответствующие дополнительное бортовое запоминающее устройство 9 и бортовое запоминающее устройстве 8 блок передачи информации 11 передает потребителям полезную информацию об интересующем малоразмерном объекте с выхода дополнительного бортового запоминающего устройства 9. При необходимости получения всей зарегистрированной информации блок передачи информации 11 передает потребителям всю зарегистрированную информацию с выхода бортового запоминающего устройства 8. Одновременно с управлением ключами 5, вторыми ключами 7, бортовым запоминающим устройством 8, дополнительным бортовым запоминающим устройством 9, переключателем 10 и блоком передачи информации 11 блок управления 12 управляет приводом 14 оптической системы с переменным фокусным расстоянием 1 в зависимости от решаемой задачи, увеличивая или уменьшая фокусное расстояние, соответственно, уменьшая или увеличивая пространственное разрешение на местности, что соответствует уменьшению или увеличению чувствительности устройства в целом. Выбор номера i-й линейки матрицы фотопреобразователей 4, подключаемой через ключи 5 к входам соответствующего j-го сумматора 6, и требуемое фокусное расстояние оптической системы с переменным фокусным расстоянием 1 определяются заранее по известной задаче исследования подстилающей поверхности, известному фону подстилающей поверхности района наблюдения и предполагаемым спектральным характеристикам интересующего объекта. Эта информация совместно с информацией о моментах открытия и закрытия каждого j-го второго ключа 7 по времени и информацией о работе бортового запоминающего устройства 8, дополнительного бортового запоминающего устройства 9, переключателя 10 и блока передачи информации 11 по передаче полезной информации об интересующем малоразмерном объекте или всей зарегистрированной информации передается на борт КА через блок управления 12 по командной радиолинии 13. Кроме того, по командной радиолинии 13 в блок управления 12 закладывается информация для передачи всей зарегистрированной информации с выхода бортового запоминающего устройства 8.
Реализация предлагаемого устройства позволит повысить оперативность передачи полезной информации при решении разных задач исследования ресурсов Земли и наблюдения за техногенными объектами за счет выбора пространственных и спектральных параметров регистрации информации об интересующем объекте. Например, задачи наблюдения за сельскохозяйственными культурами в черноземной зоне принципиально отличаются по размеру интересующего объекта, по выбору спектральных диапазонов, по требуемому пространственному разрешению и достаточной ширине полосы захвата от задач создания городских кадастров.
Источники информации
1. Бакланов А.И. Системы наблюдения и мониторинга. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2009, стр. 57…60.
2. Козинцев В.И. и др. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002, стр. 344…347.
3. Shaw G.A., Burke Н.К. Spectral Imaging for Remote Sensing. Lexington: MIT, Lincoln Laboratory Journal, vol. 14, №1, 2003, p. 5…6.
4. Кирилин А.Н. и др. Космический аппарат «Ресурс-П». М.: Совзонд, Геоматика, №4, 2010, с. 24…25.
5. Горелов Г.В. Нерегулярная дискретизация сигналов. М.: "Радио и связь", 1982, 256 с.
6. Григорьев А.Н., Шабаков Е.И. Пат. RU 2313111, МПК G01V 9/00. Многоспектральное сканирующее устройство. Опубл. 20.12.2007, бюл. №35.
7. Кузнецов Ю.А., Лабазов О.А. Исследование точностных характеристик системы управления микроспутника дистанционного зондирования Земли. Днепропетровск: Днепропетровский национальный университет, Экология и ноосферология, ISSN 1726-1112, Т. 20, №1-2, 2009, с. 29…30.
8. Surrey Missions: TopSat. UK: Surrey Space Centre, University of Surrey, 2001, 2 p.