Способ достижения дифракционного предела разрешения изображений дистанционного зондирования Земли для малых космических аппаратов
METHOD OF ACHIEVING DIFFRACTION LIMIT OF RESOLUTION OF IMAGES OF REMOTE PROBING OF EARTH FOR SMALL SPACECRAFTS

Заявляемое изобретение относится к области оптического приборостроения, а, в частности, космического приборостроения оптико-электронной аппаратуры (ОЭА) малых космических аппаратов дистанционного зондирования Земли (МКА ДЗЗ), и предназначено для достижения дифракционного предела линейного разрешения МКА ДЗЗ на местности и повышения контраста изображений ДЗЗ в условиях атмосферных искажений.
Согласно общепринятой классификации, космические аппараты ДЗЗ разделяются по массогабаритным характеристикам на большие и малоразмерные. Границей раздела объявлена масса –1000кг. Малоразмерные космические аппараты, в свою очередь, подразделяются на:
пикоспутники – менее 5кг;
наноспутники – от 5 до 50кг;
микроспутники – от 50 до 200кг;
малые КА ДЗЗ – от 200 до 1000кг.
Анализ мировых тенденций развития аппаратуры и технологий построения и использования средств ДЗЗ демонстрирует повышенный интерес к созданию и применению группировок МКА ДЗЗ, обеспечивающих возможность наблюдения «…любого участка земной поверхности в любое время…» с высоким пространственным разрешением. Подобные группировки могут состоять из 50÷60 МКА ДЗЗ (например, как WorldView «Legion»), расположенных на низких круговых солнечно-синхронных орбитах. Орбитальное положение МКА в группировке выбирается и поддерживается таким образом, чтобы обеспечивать минимальное время подлета к зоне интереса. При указанном числе МКА перерывы в наблюдении произвольных участков земной поверхности могут составлять 30÷20 минут. ОЭА таких МКА ДЗЗ должна иметь высокую пространственную разрешающую способность при малых весах и габаритах.
Каждый МКА в группировке должен обеспечивать максимально возможное время наблюдения выбранного участка земной поверхности с максимальным (дифракционным) разрешением, при этом требования к МКА ДЗЗ по его производительности, определяемой размером поля зрения ОЭА, не предъявляются, вследствие большого количества МКА.
Рассмотрим особенности влияния атмосферы на системы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).
Средой распространения отраженного от Земли солнечного излучения подсвета в задачах ДЗЗ является тропосфера (нижние 10км приземного слоя атмосферы). В иностранной литературе для характеристики атмосферы, как среды распространения светового излучения используют два термина: «turbid», что означает «мутный», и «turbulent», что означает «неспокойный».
Как мутная среда, атмосфера приводит к ослаблению светового сигнала и ухудшению отношения сигнал/шум (контраста) изображений ДЗЗ. Причиной этого являются поглощение и рассеяние света молекулами и аэрозолями атмосферы, которые обычно учитываются введением соответствующих коэффициентов ослабления, определяемых по таблицам.
Как турбулентная среда, атмосфера приводит к случайным изменениям параметров светового информационного сигнала, и ее наличие между зондируемым участком земной поверхности и МКА ДЗЗ существенно ограничивает информационные возможности МКА ДЗЗ. Возникают две проблемы: проблема «видения» через турбулентную атмосферу и проблема «изопланатичности» системы атмосфера-телескоп ДЗЗ.
Суть этих проблем состоит в том, что проблема «видения» накладывает ограничения на минимальный размер деталей, разрешаемых системой атмосфера-телескоп ДЗЗ на зондируемом участке земной поверхности, а проблема «изопланатичности» ограничивает максимальный размер зондируемого участка земной поверхности, который еще является пространственно-инвариантным к атмосферным искажениям, то есть эта проблема ограничивает поле зрения системы атмосфера-телескоп ДЗЗ.
Эти проблемы существенно зависят от условий наблюдения, и. в частности, от условий регистрации изображений ДЗЗ.
Э
А
Э
А
Так, если время регистрации (экспонирования) τ превышает интервал временной корреляции атмосферных флуктуаций τ, называемый временем «замороженности» турбулентности атмосферы, то говорят о длинно-экспозиционной регистрации, а, если время регистрации τ меньше τ, то говорят о коротко-экспозиционной регистрации [1] (Fried D.L., «Optical Resolution through a Randomly Inhomogeneous Medium for Very Long and Very Short Exposures», J.Opt.Soc.Am., 1966, v. 56, № 10, p. 1372).
Э
А
Э
А
Эти два крайних случая существенно отличаются характером атмосферных искажений. Так, если длинно-экспозиционное изображение, усредненное по атмосферным искажениям за время τ>τ, обладает худшим разрешением, чем «мгновенное» (коротко-экспозиционное) изображение, регистрируемое за время τ<τ, то оно является пространственно-инвариантным к атмосферным искажениям во всем поле зрения системы атмосфера-телескоп ДЗЗ, в отличие от коротко-экспозиционного изображения, состоящего в этом поле из ряда мгновенных областей изопланатичности, пространственно-инвариантных к атмосферным искажениям [2] (Свиридов К.Н., Бакут П.А., Устинов Н.Д., Хомич Н.Ю., «Проблемы изопланатичности оптических систем, формирующих изображения через турбулентную атмосферу», Оптика и спектроскопия, 1986, т. 60, вып. 3, с. 611).
В соответствии с этими особенностями влияния турбулентной атмосферы на изображения, на ранней стадии развития технологий ДЗЗ желание работать в широком поле зрения (с максимальной производительностью) стимулировало получение длинно-экспозиционных изображений ДЗЗ,
как в отечественных КА ДЗЗ:
– «Ресурс-ДК1» [3] (Петри Г., «Российский спутник «Ресурс-ДК1»: альтернативный источник данных сверхвысокого разрешения», Геоматика, 2010, № 4, с. 38) и
– «Ресурс-П» [4] (Кирилин А.Н. и др. «Космический аппарат «Ресурс-П», Геоматика, 2010, № 4, с. 23),
так и в зарубежных КА ДЗЗ:
– IKONOS, QuickBird, EROS, Pleiades, WorldView, GeoEye и др. [5] (Лавров В.В., «Космические съемочные системы сверхвысокого разрешения», Гео информационный портал ГИС Ассоциации, 2010, № 2, с. 19).
Эти публикации [3, 4, 5] мы рассматриваем здесь, как аналоги предлагаемого способа в части получения изображений ДЗЗ, искаженных атмосферой. Используемая в них технология детектирования временной задержки и накопления (ВЗН [3, 4] и TDI [5]) приводит к регистрации длинно-экспозиционного изображения, усредненного по атмосферным искажениям.
Недостатком существующих технологий ДЗЗ [3, 4, 5], рассматриваемых нами в качестве аналогов предлагаемого способа в части получения изображений, является отсутствие в них какой-либо обработки, осуществляющей коррекцию атмосферных искажений зарегистрированного длинно-экспозиционного изображения.
С развитием техники ДЗЗ появились новые технологии, позволяющие определять и корректировать атмосферные искажения. Эти технологии, предложенные в АО «Российские космические системы», условно можно отнести к трем классам: аппаратурных технологий, алгоритмических технологий и аппаратурно-алгоритмических технологий. Рассмотрим эти аналоги и прототип предлагаемого способа.
Первая аппаратурная технология повышения линейного разрешения КА ДЗЗ на местности основана на изменении объектива телескопа КА ДЗЗ, а именно, на замене стеклянного объектива-рефрактора отечественных КА ДЗЗ [3, 4] на зеркальные объективы-рефлекторы, как в зарубежных КА ДЗЗ [5], а главное, на увеличении диаметра приемной апертуры телескопа D до требуемой величины . Здесь – пространственный радиус корреляции атмосферных флуктуаций светового излучения на высоте Н космического аппарата ДЗЗ, а λ–средняя длина волны видимого диапазона длин волн солнечного излучения подсвета земной поверхности (λ = 0,6 мкм). Эта технология, предложенная и исследованная в работе [6] (Cвиридов К.Н., «О предельном разрешении аэрокосмических систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ)», Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, 2014, т. 1, вып. 1, с. 34), позволяет в условиях атмосферных искажений и при длинно-экспозиционной регистрации изображений ДЗЗ достигать предельного линейного разрешения КА ДЗЗ на местности, равного (4,6 см).
O
Недостаток этого аналога заключается в трудности его практической реализации, так как он требует создания телескопов КА ДЗЗ на базе апертурного синтеза, а в частности, концепции МЗТ (многозеркального телескопа) с диаметрами апертур: D = 7м при Н = 350км; D = 10м при Н = 500км и D = 15м при Н = 750км. Такие диаметры объясняются тем, что в соответствии с исследованиями, проведенными в [6], величина r(λ,H) определяется соотношением , где – величина пространственного радиуса корреляции атмосферных флуктуаций светового излучения на верхней границе турбулентного слоя атмосферы (≈10км). Отсюда видно, что: при Н=350км, оказывается равной 3,5м; при Н=500км, , и при Н=750км, величина  оказывается равной 7,5м. А так как в соответствии с проведенными исследованиями [6] необходимо иметь , то полученные значения для , во-первых, объясняют требуемые величины для диаметров апертуры телескопов КА ДЗЗ: D=7м; 10м и 15м, и, во-вторых, показывают, что эти диаметры оказываются существенно большими диаметра D=1,1м существующих сегодня телескопов ДЗЗ [5]. В связи с тем, что сегодня , атмосферные искажения светового излучения на приемной апертуре телескопа ДЗЗ представляют собой случайные наклоны волнового фронта, приводящие к случайным сдвигам дифракционно ограниченных изображений ДЗЗ (Фиг.5).
А
Это обстоятельство привело к разработке новой аппаратурной технологии компенсации атмосферных искажений и увеличения линейного разрешения КА ДЗЗ на местности. Она основана на преддетекторной адаптивной компенсации случайных наклонов волнового фронта за время «замороженности» турбулентностей атмосферы τ. Эта технология (аналог) предложена в работе [7] (Cвиридов К.Н., Волков С.А., «Способ дистанционного зондирования Земли», Патент Российской Федерации № 2597144 от 16.08.2016 по заявке на изобретение № 2015129353 от 17.07.2015, заявитель и правообладательАО «Российские космические системы») и исследована в работе [8] (Свиридов К.Н., «Дистанционное зондирование Земли с адаптивной компенсацией случайных наклонов волнового фронта», Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, 2015, т. 2, вып. 3, с. 12). Этот способ ДЗЗ при длинно-экспозиционной стратегии регистрации изображений ВЗН позволяет получать среднее коротко-экспозиционное изображение. Его средняя коротко-экспозиционная оптическая передаточная функция (ОПФ) превалирует над средней ОПФ длинно-экспозиционного изображения во всей области пространственных частот, обеспечивая выигрыш в разрешении среднего коротко-экспозиционного изображения ДЗЗ по сравнению с длинно-экспозиционным. Исследования [8] показали, что система с адаптивной компенсацией случайных наклонов волнового фронта по сравнению с системой без компенсации обеспечивает реальный выигрыш в разрешении.
Недостаток этого аналога предлагаемого способа, как и предыдущего аналога, заключается в том, что, хотя аппаратурные технологии обеспечивают потенциально хорошие результаты по разрешению, но они требуют существенной модернизации, а главное, усложнения аппаратуры систем ДЗЗ.
Более простой и реальный путь достижения положительных результатов компенсации атмосферных искажений и увеличения линейного разрешения КА ДЗЗ на местности обеспечивают алгоритмические технологии.
В качестве аналога предлагаемого способа рассматриваем алгоритмическую технологию ДЗЗ, предложенную в работе [9] (Свиридов К.Н.. «Способ получения и обработки изображений, искаженных турбулентной атмосферой», решение о выдаче патента на изобретение № 2016100934/28(001133) от 12.03.2019 по заявке на изобретение № 2016100934 от 14.01.2016, заявитель и правообладатель АО «Российские космические системы»). Эта технология не требует изменения стратегии детектирования ВЗН и основана на последетекторной адаптивной фильтрации зарегистрированного длинно-экспозиционного изображения ДЗЗ, пространственно-инвариантного к атмосферным искажениям во всем поле зрения системы атмосфера-телескоп ДЗЗ. Проведенные исследования [10] (Свиридов К.Н., «Адаптивная фильтрация средних изображений, искаженных турбулентной атмосферой», Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, 2015, т. 2, вып. 4, с. 40), подтвердили эффективность адаптивной фильтрации длинно-экспозиционного изображения, искаженного турбулентной атмосферой, по улучшению его разрешения. При этом получено, что выигрыш в разрешении не превышает 2-х раз, но и этот выигрыш может оказаться достаточным для повышения уровня линейного разрешения на местности отечественных данных ДЗЗ [11] (Cвиридов К.Н., «О предельном инструментальном разрешении космического аппарата «Ресурс-П» (№ 1, 2, 3)», Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, 2017, т. 4, вып. 2, с. 20.), равного , до зарубежного уровня пространственного разрешения [5], равного .
Э
Э
Заметим, что эти оценки линейного разрешения КА ДЗЗ на местности даны на базе отечественного критерия оценки, предложенного в АО «Российские космические системы», который свободен от недостатков и ограничений зарубежного критерия оценки GSD, и связан с ним соотношением РКС=2GSD [12] (Свиридов К.Н., Тюлин А.Е., «О критериях оценки предельного инструментального разрешения космического аппарата дистанционного зондирования Земли на местности», Информация и Космос, 2018, № 3, с. 143). Приведенные оценки, однако, далеки от дифракционного предела инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности вследствие двух причин: не скомпенсированного влияния атмосферы, а, главное, из-за рассогласования объектива и цифрового детектора ОЭА по критерию Найквиста, эквивалентного диафрагмированию D приемной апертуры объектива D (D<D). Предлагаемый здесь способ устраняет обе эти причины и обеспечивает достижение дифракционного предела линейного разрешения МКА ДЗЗ на местности в условиях атмосферных искажений.
В качестве прототипа предлагаемого способа выбираем аппаратурно-алгоритмическую технологию, предложенную в работе [13] (Свиридов К.Н., «Способ дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ)», Патент Российской Федерации №2531024 от 20.08.2014 по заявке на изобретение № 2013125540 от 03.06.2013, заявитель и правообладатель АО «Российские космические системы»). Этот способ основан на комбинированном использовании «мгновенных» (коротко-экспозиционных) изображений зондируемого участка земной поверхности и среднего (длинно-экспозиционного) изображения, получаемого их накоплением.
Аппаратурная технология прототипа заключается в формировании и детектировании спектрально-фильтруемых, коротко-экспозиционных изображений зондируемого участка земной поверхности, статистически независимых друг от друга по атмосферным искажениям, но пространственно-неинвариантных к ним.
Алгоритмическая технология прототипа заключается в том, что по зарегистрированной серии коротко-экспозиционных изображений определяют неискаженный атмосферой модуль пространственного спектра от объекта, а по полученному их накоплением длинно-экспозиционному изображению, являющемуся пространственно-инвариантным к атмосферным искажениям, определяют низкочастотную часть фазы пространственного спектра от объекта, комбинируя которые и осуществляя Фурье преобразование от синтезированного пространственного спектра, восстанавливают улучшенное обработкой изображение зондируемого участка земной поверхности.
Исследования данного способа, проведенные в работе [14] (Cвиридов К.Н., «О новом подходе к получению и обработке изображений ДЗЗ, искаженных турбулентной атмосферой», Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, 2014, т.1, вып.4, с.28), показали, что здесь в результате обработки восстанавливают среднее коротко-экспозиционное изображение, характеризуемое по разрешению средней коротко-экспозиционной ОПФ, в отличие от ранее получаемого разрешения [3,4,5], характеризуемого средней длинно-экспозиционной ОПФ, обусловленной стратегией детектирования изображений–ВЗН.
Главным недостатком прототипа, как и аналогов, является то, что при проектировании и создании оптико-электронной аппаратуры (ОЭА) КА ДЗЗ в них, объектив и цифровой детектор не были согласованы по критерию Найквиста, что препятствовало достижению при обработке изображений дифракционного предела разрешения КА ДЗЗ на местности, а сама обработка, даже при наличии такого согласования, не позволял  достичь дифракционного предела разрешения, так как не полностью компенсировала атмосферные искажения восстанавливаемого изображения в области высоких пространственных частот.
Для устранения отмеченных недостатков прототипа предлагается данный способ.
Предлагаемый способ можно, как и прототип, отнести к аппаратурно-алгоритмической технологии достижения высокого линейного разрешения МКА ДЗЗ на местности.
Э
А
При этом аппаратурная технология предлагаемого способа заключается в совершенном проектировании ОЭА, основанном на согласовании телескопического объектива и цифрового детектора ОЭА по критерию Найквиста и обеспечивающем возможность достижения дифракционного предела инструментального разрешения МКА ДЗЗ на местности. Эта технология реализуется на этапе получения в панхроматической полосе спектральной фильтрации цифрового детектора серии из N коротко-экспозиционных (τ≤τ) изображений зондируемого участка земной поверхности, статистически независимых по атмосферным искажениям и пространственно-инвариантных к ним. Введение между объективом и цифровым детектором фотоувеличительной оптики, согласующей ОЭА по критерию Найквиста, в отличие от использования для этой цели одного длиннофокусного объектива, позволяет уменьшить вес и габариты ОЭА, что является важным при создании малых КА ДЗЗ.
Аппаратурная технология коротко-экспозиционной регистрации «мгновенных» изображений позволяет устранить, не только временное усреднение атмосферных искажений каждого изображения в серии, но и смаз каждого изображения. Устранению смаза регистрируемых изображений, помимо короткой экспозиции, способствует также осуществление программных разворотов МКА относительно его центра масс для замедления при этом движения регистрируемого изображения зондируемого участка земной поверхности по приемной матрице цифрового детектора.
Алгоритмическая технология предлагаемого способа реализуется на этапе обработки серии из N «мгновенных», статистически независимых изображений и направлена на формирование высококонтрастного дифракционно ограниченного изображения зондируемого участка земной поверхности, для этого сначала анализируют зарегистрированную серию из N дифракционно ограниченных, случайно сдвинутых и ослабленных атмосферой изображений и селектируют (отбирают) в ней наиболее четкие и контрастные изображения, отбраковывая размытые и зашумленные, затем суммируют отобранные изображения и формируют эталонное изображение зондируемого участка земной поверхности, определяют по нему характерные особенности (опорные ориентиры) зондируемого участка земной поверхности и сравнивают каждое из М отобранных селекцией коротко-экспозиционных изображений с эталонным, определяя в них характерные особенности эталона, далее сдвигают коротко-экспозиционные изображения, совмещая их характерные особенности с характерными особенностями эталона, и компенсируют при этом атмосферные сдвиги изображений, после чего накапливают сдвинутые коротко-экспозиционные изображения, увеличивая отношение сигнал/шум (контраст) результирующего изображения в раз, и получают контрастное дифракционно ограниченное панхроматическое изображение зондируемого участка земной поверхности, а, анализируя его через мультиспектральные узкополосные фильтры, осуществляют многозональную тематическую обработку, при которой в интересах различных потребителей отслеживают изменения состояний естественных и искусственных объектов на зондируемом участке земной поверхности.
Техническим результатом (целью) предлагаемого способа является достижение дифракционного предела разрешения изображений ДЗЗ и повышение их контраста путем согласования ОЭА получения изображений ДЗЗ по критерию Найквиста и компенсации атмосферных искажений изображений ДЗЗ при их получении и обработке.
.
В
ЛРМ
С
C
C
C
Э
А
Э
А
П
Д
П
К
К
Д
Х
Технический результат достигается тем, что, для согласования объектива и цифрового детектора оптико-электронной аппаратуры (ОЭА) МКА ДЗЗ по критерию Найквиста, выбирают цифровой детектор с пикселем d, определяют период дискретизации цифрового детектора 2d и формируют его проекцию на зондируемую земную поверхность , приравнивают ее к требуемому линейному разрешению и дифракционному пределу разрешения МКА ДЗЗ на местности , где средняя длина волны солнечного излучения подсвета в видимом диапазоне длин волн Δλ=(0,43÷0,73)мкм, и на основании равенства  определяют требуемый диаметр апертуры объектива проектируемой ОЭА, как D=λH/R{м}, а на основании равенства  определяют фокусное расстояние объектива проектируемой ОЭА, как {м}, затем, для оценки результатов проектирования ОЭА, формируют коэффициент совершенства проектируемой ОЭА, как отношение , и, подставляя в него результаты проектирования: D и F, а также d и, получают величину , равную единице (К=1) при наличии согласования F=FK , что свидетельствует о совершенстве спроектированной ОЭА, согласованной по критерию Найквиста () и обеспечивающей достижение дифракционного предела инструментального разрешения МКА ДЗЗ на местности (), далее, для реализации результатов проектирования, создают спроектированную ОЭА, содержащую выбранный цифровой детектор с пикселем d и объектив с диаметром D и фокусным расстоянием F, а для увеличения фокусного расстояния объектива до согласующей величины F=FK в ОЭА между объективом и цифровым детектором вводят фотоувеличительную оптику, совмещая ее оптическую ось с оптической осью объектива и размещая стандартные микро объективы (или линзы Барлоу) с увеличением М=К между объективом и цифровым детектором ОЭА так, чтобы передний фокус фотоувеличительной оптики находился в фокальной плоскости объектива F, а задний фокус сборки объектива и фотоувеличительной оптики F находился в плоскости формируемых и детектируемых изображений, далее размещают созданную ОЭА на борту МКА ДЗЗ, выводят МКА на орбиту и осуществляют дистанционное зондирование наблюдаемых участков земной поверхности, для чего в режиме орбитальной ориентации МКА ДЗЗ производят его программные развороты вокруг центра масс в продольном направлении, и при этом, подлетая к объекту наблюдения на расстояние, равное высоте полета Н, МКА ДЗЗ наводит на него ОЭА и, препятствуя возникновению смазов изображений, удерживает ОЭА в направлении зондируемого участка до тех пор, пока не удалится от него на такое же расстояние Н, одновременно с этим  на борту МКА ДЗЗ в узком поле зрения сборки объектив-фото увеличительная оптика и в широкой полосе спектральной чувствительности цифрового детектора  при  (где, а  – дисперсия атмосферных искажений фазы θ светового излучения на апертуре D, всегда меньшая единицы в задачах ДЗЗ) регистрируют серию из N коротко-экспозиционных изображений зондируемого участка земной поверхности при τ=τ=1мс (где   τ–время экспозиции регистрируемых изображений, а τ–интервал временной корреляции атмосферных флуктуаций), статистически независимых друг от друга по атмосферным искажениям при τ>τ (где τ=6τ-  промежуток между соседними регистрациями, τ– длительность кадра, а τ–инерционность цифрового детектора) и передают их на землю для последующей обработки, при которой, сначала анализируют зарегистрированную серию из N дифракционно ограниченных, случайно сдвинутых и ослабленных атмосферой, малоконтрастных изображений и селектируют (отбирают) в ней М наиболее четких и контрастных изображений, отбраковывая размытые и зашумленные, затем суммируют отобранные изображения и формируют эталонное высококонтрастное изображение зондируемого участка земной поверхности, определяют по нему характерные особенности (опорные ориентиры) и сравнивают каждое из М отобранных селекцией коротко-экспозиционных изображений с эталонным, определяя в них характерные особенности эталона, далее сдвигают коротко-экспозиционные изображения, совмещая их характерные особенности с характерными особенностями эталона, и компенсируют при этом атмосферные сдвиги изображений, после чего накапливают сдвинутые дифракционно ограниченные изображения, увеличивая отношение сигнал/шум (контраст) результирующего изображения в раз, и получают контрастное дифракционно ограниченное панхроматическое изображение зондируемого участка земной поверхности для картографирования и других задач ДЗЗ сверхвысокого разрешения, а, анализируя его через мультиспектральные узкополосные фильтры, осуществляют многозональную тематическую обработку, при которой в интересах различных потребителей отслеживают изменения состояний естественных и искусственных объектов на зондируемом участке земной поверхности.
Признаки и суть заявляемого изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее:
На Фиг.1 представлен Вариант схемы практической реализации заявляемого способа, на которой изображено:
на Фиг.1а – Структурная схема канала формирования изображений ДЗЗ, где:
1 – зеркальный телескопический объектив с диаметром апертуры D и фокусным расстоянием F, построенный по схеме Ричи-Кретьена или Долла-Киркхема и изготовленный полностью из карбида кремния (SiC), что обеспечивает его малые габариты и вес, требуемые при создания МКА ДЗЗ;
2 – фокальная плоскость объектива F;
Х
3 – фотоувеличительная оптика (М=К), обеспечивающая согласование объектива и цифрового детектора по критерию Найквиста. В качестве фотоувеличительной оптики могут быть использованы стандартные микрообъективы или линзы Барлоу;
C
C
4 – фокальная плоскость согласующей фотоувеличительной оптики (плоскость формируемых и детектируемых изображений) F ( F=FК );
на Фиг.1б – Структурная схема канала детектирования и регистрации изображений ДЗЗ, где:
C
4 – плоскость формируемых и детектируемых изображений F;
Э
А
Э
А
П
Д
5 – электромеханический затвор, осуществляющий выбор времени экспозиции каждого регистрируемого кадра τ меньшим времени «замороженности» турбулентностей атмосферы τ=1мс (τ≤τ), обеспечивая отсутствие временного усреднения атмосферных искажений и возможных смазов каждого регистрируемого изображения. При регистрации серии коротко-экспозиционных изображений необходимо обеспечить их статистическую независимость друг от друга по атмосферным искажениям. Для этого требуется выбирать промежуток времени между отдельными коротко-экспозиционными регистрациями в серии τ, превышающим инерционность цифрового детектора τ. Вследствие инерционности цифрового детектора 6 на его мишени может сохраняться заряд от 4÷5 предыдущих кадров при регистрации последующих, что может вести к накоплению и усреднению регистрируемых коротко-экспозиционных изображений. Для устранения влияния инерционности детектора предлагается регистрировать выборочные кадры, а не все подряд, и между регистрациями очищать детектор от остаточного заряда.
Затвор 5, осуществляя реализацию стратегии «выборочного кадра», экспонирует только один кадр цифрового детектора из каждых восьми.
П
К
К
К
К
П
К
П
Д
При заданной затвором производительности цикла детектирования 14% практически регистрируются только 7 кадров в секунду с промежутком времени между экспонируемыми изображениями τ=6τ=120мсек, где τ– время одного кадра, τ=20мсек при частоте кадров 50Гц для ПЗС матрицы. Для матрицы КМОП с частотой кадров 33Гц и τ=30мсек регистрируют 7 кадров в секунду с производительностью цикла детектирования 21% и тем же промежутком между регистрациями τ=4τ=120мсек. Наличие такого промежутка между регистрациями τ>τ способствует тому, что регистрируемые изображения являются независимыми друг от друга по атмосферным искажениям, а также свободны от эффектов инерционности цифрового детектора. Оба эти факта свидетельствуют об отсутствии временного усреднения изображений, исходных для обработки серии;
6 – цифровой детектор {ПЗС матрица или КМОП матрица} (КМОП –комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) с элементом дискретизации (пикселем) d предназначен для детектирования и регистрации серии из N коротко-экспозиционных, статистически независимых изображений. При стратегии детектирования «выборочного кадра» работа цифрового детектора 6 осуществляется следующим образом:
кадр 1 – диск вращающегося прерывателя светового излучения (затвора 5), синхронизированного с частотой кадров цифрового детектора,
Э
А
Э
А
открывает фотокатод на время экспозиции τ, согласованное с интервалом временной корреляции атмосферных флуктуаций τ, τ=τ=1мсек. В течение этого интервала экспонирования считывающий луч цифрового детектора 6 запирается стробирующим импульсом управления;
кадр 2 – считывающий луч включается, и кремниевая поверхность мишени цифрового детектора 6 считывается в цифровую систему обработки видеосигналов 7;
кадр 3 – вспыхивает светодиод, насыщая кремниевую поверхность мишени цифрового детектора 6 и обеспечивая однородность последующего стирания мишени без остатков изображения;
кадры 4, 5, 6, 7, 8 – обычное считывание мишени, как в кадре 2, чтобы полностью разрядить ее кремниевую поверхность, при закрытом затвором 5 фотокатоде цифрового детектора 6.
Таким образом, кадр 1 используют для записи сформированного изображения на мишень, кадр 2 используют для считывания изображения с мишени и формирования видеосигнала, а кадры 3÷8 используют для насыщения и стирания мишени цифрового детектора 6;
7 – цифровая система обработки видеосигналов предназначена для оцифровки серии из N коротко-экспозиционных изображений, поступающих с цифрового детектора 6. Оцифрованные в 7 изображения зондируемого участка земной поверхности записываются в буферную память бортового компьютера 8;
8 – бортовой компьютер осуществляет программные развороты МКА ДЗЗ вокруг центра масс для замедления движения детектируемых изображений по входной матрице цифрового детектора и передает оцифрованные изображения из буферной памяти на кодирующее устройство 9;
9 – кодирующее устройство сжимает и кодирует информацию для ее передачи на Землю;
10 – бортовой радиолокационный передатчик передает информацию с кодирующего устройства 9 по радиолинии на Землю для последующей обработки изображений.
Обработка серии коротко-экспозиционных, статистически независимых по атмосферным искажениям изображений зондируемого участка земной поверхности, полученных на борту МКА ДЗЗ в соответствии с Фиг.1а и Фиг.1б и переданных по радиолинии, осуществляется на Земле по схеме, представленной на Фиг.1в.
Здесь на Фиг.1в–структурная схема канала обработки изображений ДЗЗ, на которой:
11 – наземный радиолокационный приемник принимает по радиолинии информацию с бортового радиолокационного передатчика 10;
12 – декодирующее устройство преобразует информацию, полученную в 11 к виду, удобному для записи в память вычислительных средств 13;
13 – вычислительные средства, ЭВМ, предназначены для реализации на Земле алгоритма 15 обработки серии изображений с МКА ДЗЗ;
14 – программное обеспечение (ПО) вычислительных средств 13 предназначено для организации работы вычислительных средств и, в частности, для реализации алгоритма 15 обработки изображений ДЗЗ;
15 – алгоритм обработки изображений ДЗЗ представляет предлагаемую последовательность операций над зарегистрированной серией «мгновенных»(коротко-экспозиционных) изображений, обеспечивающую достижение максимального (дифракционного) предела разрешения МКА ДЗЗ на местности и повышения контраста изображений ДЗЗ в условиях атмосферных искажений;
16 – АРМ оператора предназначено для контроля процесса обработки изображений и анализа их качества (разрешения и контраста) в процессе реализации алгоритма 15 обработки изображений ДЗЗ;
ЛРМ
17 – потребители панхроматических изображений ДЗЗ высокого контраста и сверхвысокого разрешения (R<1м), а также информации многозональной тематической обработки.
На Фиг.2 представлены Критерии оценки предельного инструментального разрешения ОЭА КА ДЗЗ на местности: а) в аналогах (критерий GSD) и б) в заявляемом способе (критерий РКС).
В Таблице 1 представлены коэффициенты совершенства ОЭА существующих КА ДЗЗ сверхвысокого разрешения, спроектированной с использованием критерия GSD.
С
Для всех этих КА ДЗЗ коэффициент совершенства больше двух (K>2), что свидетельствует о несовершенстве спроектированной ОЭА, так как в совершенной ОЭА, согласованной по критерию Найквиста, коэффициент совершенства равен единице (К=1).
2dH/F
На Фиг.3 представлена блок-схема реализации заявляемого способа в части проектирования ОЭА на базе критерия оценки предельного инструментального разрешения МКА ДЗЗ на местности –РКС (R).
На Фиг.4 представлена блок-схема алгоритма обработки–15(Фиг.1в) зарегистрированной серии N коротко-экспозиционных изображений зондируемого участка земной поверхности..
На Фиг.5 представлена геометрия дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).
Работа системы дистанционного зондирования Земли по представленным на Фиг.1 структурным схемам в целом осуществляется, как и в прототипе.
C
X
Отличие от прототипа здесь заключается, во-первых, в последовательности операций совершенного проектирования (Фиг.3) оптико-электронной аппаратуры (ОЭА) получения изображений (Фиг1а), основанного на определении требуемых параметров (D и F) объектива ОЭА и согласовании по критерию Найквиста объектива ОЭА с выбранным цифровым детектором ОЭА, имеющим пиксель d, путем требуемого увеличения фокусного расстояния объектива до согласующей величины F=FM, полученного на базе критерия РКС (Фиг.2) оценки предельного инструментального разрешения МКА ДЗЗ на местности и обеспечивающего достижение дифракционного предела инструментального разрешения МКА ДЗЗ на местности.
Второе существенное отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в последовательности операций обработки полученной серии коротко-экспозиционных изображений (Фиг.4).
Первая технология предлагаемого способа (технология совершенного проектирования ОЭА получения изображений) является аппаратурной, а вторая технология предлагаемого способа (технология обработки изображений) является алгоритмической, и только вместе они обеспечивают достижение дифракционного предела линейного разрешения МКА ДЗЗ на местности и высокого контраста изображений ДЗЗ при наличии атмосферных искажений.
Дадим обоснование предлагаемого способа, как в части совершенного проектирования ОЭА получения изображений, согласованной по критерию Найквиста фотоувеличительной оптикой 3 (Фиг.1а), так и в части алгоритмического обеспечения 15 (Фиг.1в) обработки зарегистрированной в 6 (Фиг.1б) серии из N коротко-экспозиционных изображений ДЗЗ.
Начнем с новой аппаратурной технологии заявляемого способа в части проектирования ОЭА получения изображений, основанной на новом критерии (критерии РКС) оценки предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности [11] и рассмотрим ее реализацию по блок-схеме, представленной на Фиг.3
Известно, что наиболее информативным и востребованным потребителями продуктом ДЗЗ является оптическое изображение зондируемого участка земной поверхности. Существуют различные критерии оценки качества оптических изображений, однако, не многие из них пригодны для оценки эффективности наблюдательных оптических систем. Проведенные исследования [15] (Уэзерелл У., Оценка качества изображения, гл.6, в кн. под ред. Р. Шеннона, Дж. Вайанта, Проектирование оптических систем, 1983, М., изд. Мир.) свидетельствуют о том, что наиболее универсальным критерием, характеризующим как качество изображения объекта, так и эффективность системы его наблюдения, является разрешающая способность. Предельная величина инструментального разрешения МКА ДЗЗ на местности зависит от степени согласования объектива и цифрового детектора ОЭА по критерию Найквиста и может изменяться от некоторого реального значения инструментального предела разрешения МКА ДЗЗ на местности до величины максимального (дифракционного) предела инструментального разрешения. От выбора критерия оценки разрешения зависит, как правильность определения реального предела инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности в процессе наблюдения, так и возможность согласования объектива 1 и цифрового детектора 6 ОЭА по критерию Найквиста в процессе проектирования ОЭА.
С появлением цифровых детекторов появились новые критерии оценки предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности. Сегодня в качестве основного критерия оценки предела инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности используют проекцию одного пикселя цифрового детектора d на зондируемую земную поверхность [5]. Этот предел пространственного разрешения на местности определяется соотношением
{м},(1)
где Н высота КА ДЗЗ над зондируемой земной поверхностью.
Критерий (1) оценки предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности был принят в практике ДЗЗ с появлением цифровых детекторов: сначала за рубежом, где он был назван GSD [16] (Ground Sample Distance (GSD) Support (http://support.pix4d.com/he/en-us/articles/202559809), а впоследствии, без каких-либо обоснований правомерности его использования для оценки линейного разрешения на местности, он был принят и в российской практике ДЗЗ [17] (Хмелевской С.И., Тенденции в развитии цифровых аэросъемочных систем. Критерии сравнения и оценки, Геопрофи, 2011, №1, с.11).
Недостатком критерия GSD (1) является то, что он дает оптимистичную, но ошибочную оценку линейного разрешения на местности, ведущую к ограничениям (несовершенству) основанного на ней проектирования [12].
ЛРМ
Эксперименты по оценке предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности в оптическом и радио диапазонах длин волн свидетельствуют о том, что в действительности размер проекции пикселя на Землю  всегда меньше реального линейного разрешения R данных ДЗЗ на местности [18] (Замшин В.В. Методы определения линейной разрешающей способности оптических и радиолокационных аэрокосмических изображений, Известия ВУЗов, Геодезия и аэрофотосъемка, 2014, №1, с.43).
ЛРМ
В настоящее время, однако, вопреки результатам многочисленных экспериментов, в качестве оценки предельной величины линейной разрешающей способности цифровых систем ДЗЗ на местности продолжают упорно использовать проекцию одного пикселя цифрового детектора на зондируемую земную поверхность GSD (1), то есть на практике имеет место неоправданное и необоснованное отождествление понятий линейной разрешающей способности на местности R и размера проекции пикселя на Землю. Существует мнение [18], что такой подход к оценке разрешения КА ДЗЗ на местности «…используется для преднамеренного завышения декларируемых технических характеристик средств ДЗЗ по сравнению с их реальными показателями, чтобы повысить коммерческую привлекательность продуктов ДЗЗ на потребительском рынке…».
Это несоответствие оценок критерия GSD (1) результатам экспериментов стимулировало нас на проведение исследований, явившихся основой предлагаемого способа в части проектирования ОЭА получения изображений ДЗЗ.
ЛРИ
Известно [19] (Характеристика качества изображения на сайте НТЦ Красногорский завод им. С.А. Зверева (http://www.zenithcamera.com/qa/qa-resolution.html), что определения линейного разрешения аналоговых фотоизображений по штриховым мирам в отечественной и зарубежной практике отличаются на уровне стандартов: ГОСТ и ISO. Действительно, российский стандарт в соответствии с ГОСТ 15114-78 [20] («Системы телескопические для оптических приборов. Визуальный метод определения предела разрешения», Введ. 30.01.1978. М.: Изд-во стандартов, 1978. 6с.) устанавливает, что линейное разрешение в изображении R определяется периодом штриховой миры, то есть суммой светлой и темной линий , где р –размер светлой или темной линии – минимального разрешаемого элемента штриховой миры. При этом линейное разрешение на местности аналогового изображения ДЗЗ определяется проекцией линейного разрешения в изображении на зондируемую земную поверхность, как [21]
{м}     (2)
[21] (Кононов В., Основы методики расчета разрешающей способности и точности определения координат аэрофототопографических систем.(http://www.geomatika.kiev.ua/training/DataCapture/RemoteSensing/Chapter103.html).
В случаях формирования цифровых изображений размер минимального разрешаемого элемента в изображении р равен размеру пикселя d цифрового детектора. При этом формула линейного разрешения на местности (2) преобразуется к виду
{м}     (3)
Полученное выражение для оценки линейного разрешения КА ДЗЗ на местности, как проекции периода дискретизации цифрового детектора 2d на зондируемую земную поверхность , и есть новый критерий оценки предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности, интуитивно предложенный в АО «Российские космические системы»   (критерий РКС), ранее [11].
Здесь этот критерий (3) получен аналитически на основании того, что период дискретизации (два пикселя) цифрового детектора, как и его проекция на зондируемую земную поверхность, для цифровых изображений ДЗЗ, эквивалентен периоду (сумме светлой и темной линий) штриховой миры, используемой для определения линейного разрешения на местности аналоговых фотоизображений ДЗЗ в соответствии с действующим российским стандартом оценки разрешения [20].
Вместе с тем очевидно, что один пиксель d в цифровом изображении, как и его проекция на зондируемую земную поверхность (критерий GSD), соответствуют половине периода штриховой миры аналогового изображения, то есть GSD эквивалентен одной (светлой или темной) линии штриховой миры и не может оценивать разрешение в соответствии с российским ГОСТ[20].
За рубежом введение в практику ДЗЗ критерия GSD, по-видимому, было связано с зарубежными стандартами разрешения, в соответствии с которыми за величину линейного разрешения в изображении, как и на местности, принимается одна линия (светлая или темная) штриховой миры. В связи с этим в работе [19] отмечалось, что «…в стандартизованном для видео и цифровой фототехники зарубежном (см., например, ISO 12231, ISO 12233) термине «пара линий» за «линию» считается также и промежуток между штрихами миры, что физически неверно, так как в таком случае пространственная частота оказывается обратной полупериоду миры…». Это качественно свидетельствует об ошибочности критерия GSD и основанного на нем проектирования. Количественное подтверждение будет дано ниже.
На Фиг.2 дана иллюстрация критериев оценки GSD и РКС.
Наряду с рассмотренными критериями оценки пространственного разрешения МКА ДЗЗ на местности (1) и (3), существует дифракционный предел инструментального разрешения объектива МКА ДЗЗ на местности, который определяет потенциальные возможности ОЭА по достижению максимального предела разрешения МКА ДЗЗ на местности в соответствии с известной формулой [15]
{м}(4)
Следует заметить, что дифракционный предел разрешения (4) может быть достигнут только при согласовании объектива и цифрового детектора по критерию Найквиста [15], когда на дифракционный элемент разрешения объектива в изображении (диск Эри) λF/D приходятся, как минимум, два элемента разрешения (пикселя) 2d цифрового детектора.
λH/D
D
N
1/d
Для оценки степени согласования объектива и цифрового детектора проектируемой ОЭА по критерию Найквиста введено [12] понятие коэффициента совершенства ОЭА МКА ДЗЗ, как отношение оценки РКС предельного инструментального разрешения МКА ДЗЗ на местности  к дифракционному пределу разрешения R  МКА ДЗЗ на местности  или , что эквивалентно , как отношение частоты отсечки объектива ОЭА f=D/λF к частоте Найквиста цифрового детектора ОЭА f=f/2=1/2d
,   (5)
где К≥1
С
В согласованной по критерию Найквиста оптимально cпроектированной ОЭА коэффициент совершенства равен единице (К=1) и при этом из формулы (5) следует
,   (6)
где ,
что подтверждает согласование объектива и цифрового детектора ОЭА по критерию Найквиста, а также, на основании , следует, что , то есть, достигается дифракционный предел инструментального разрешения.
Полученный результат (6) свидетельствует о том, что предложенный РКС критерий оценки  позволяет согласовать проектируемую ОЭА по критерию Найквиста и обеспечить достижение дифракционного предела инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности.
О
1/d
Для сравнения результатов проектирования предлагаемым способом с результатами проектирования на базе критерия GSD рассмотрим коэффициент совершенства проектирования ОЭА прототипа, обозначим его К, вводимый отношением оценки разрешения GSD (1) к дифракционному пределу разрешения КА ДЗЗ на местности (4) или, что эквивалентно, отношением частоты отсечки объектива ОЭА к частоте дискретизации цифрового детектора ОЭА  f=1/d
,    (7)
О
где К≥1.
О
О
Ситуация, когда К=1, представляет границу применимости критерия GSD оценки инструментального разрешения систем ДЗЗ на местности для проектирования ОЭА, когда d=λF/D, так как, когда К<1, оценка GSD становится меньше дифракционного предела,  что  противоречит физическому смыслу.
Из сравнения (5) и (7) следует, что
О
К=2К,   (8)
О
О
и ограничение, устанавливаемое критерием GSD на величину К, а именно К≥1, накладывает ограничение и на коэффициент совершенства К (5)
К ≥2  (9)
Полученное ограничение (9) на совершенство проектируемой ОЭА, обусловленное использованием критерия GSD, подтверждается реальными значениями коэффициентов совершенства ОЭА, большими двух (К>2), для всех существующих зарубежных и отечественных КА ДЗЗ сверхвысокого разрешения, спроектированных с использованием критерия GSD (Таблица 1).
С
На основании проведенных исследований и данных Таблицы 1 очевидно, что, используя критерий GSD для оценки предельного инструментального разрешения МКА ДЗЗ на местности, нельзя при проектировании ОЭА достичь коэффициента совершенства ОЭА, равного единице (К=1), то есть, нельзя согласовать ОЭА по критерию Найквиста и достичь дифракционного предела разрешения МКА ДЗЗ на местности.
Фактически коэффициент К совершенства ОЭА, отличный от 1, характеризует степень несовершенства спроектированной ОЭА, и это относится ко всей спроектированной ОЭА существующих КА ДЗЗ сверхвысокого разрешения (Таблица 1).
Рассмотрим предлагаемую последовательность операций проектирования ОЭА МКА ДЗЗ, на базе критерия РКС (), предложенного в работе [11] и обоснованного в работе [12]:
1) получают паспортные данные для МКА ДЗЗ, например, такие, как: , Н=600км, λ=0,6мкм;
2) выбирают цифровой детектор, например, с размером пространственного элемента разрешения (пикселем), равным d=4,6 мкм;
3) определяют исходные данные для проектирования ОЭА МКА ДЗЗ, такиe, как: , d, Н, и λ;
4) формируют проекцию периода дискретизации цифрового детектора 2d на зондируемую земную поверхность ;
5) приравнивают сформированную оценку к требуемому линейному разрешению МКА ДЗЗ на местности
(10)
λH/D
6) определяют дифракционное разрешение объектива ОЭА МКА ДЗЗ на местности R и
7) приравнивают его к требуемому линейному разрешению МКА ДЗЗ на местности
(11)
8) исходя из требуемого дифракционного разрешения объектива ОЭА на местности (11), определяют требуемый диаметр апертуры объектива D, как
{м}  (12)
и после подстановки исходных данных: λ=0.6мкм, Н=600км и  получают D=0,6м;
9) исходя из равенства (10), определяют фокусное расстояние объектива, согласующего ОЭА по критерию Найквиста, как
{м}    (13)
ЛРМ
и после подстановки исходных данных: d=6мкм, Н=600км. R=0,6м, получают F=9,2 м;
10) для контроля результатов проектирования определяют коэффициент совершенства проектируемой ОЭА, как
(14)≡(5)
С
11) подставляя данные спроектированной ОЭА (d=4,6мкм, D=0,6м, F=9,2м, λ=0,6мкм) в формулу (14), получают коэффициент совершенства проектируемой ОЭА, равным единице (К=1), то есть,
,    (15)
C
С
где F=FК=9,2м-согласующее фокусное расстояние.
C
C
C
В общем случае фокусное расстояние F, cогласующее ОЭА по критерию Найквиста, определяется, как F=F·K, (где F фокусное расстояние объектива в несогласованной по Найквисту спроектированной ОЭА) и для существующих КА ДЗЗ сверхвысокого разрешения F представлено в правом столбце Таблицы 1.
На основании (15)  ,    (16), а  (17)
λFс/D
Полученное выражение (16) есть ни что иное, как условие согласования ОЭА МКА ДЗЗ по критерию Найквиста, когда на дифракционный элемент разрешения объектива (диск Эри) R в изображении приходятся два элемента разрешения цифрового детектора 2d.;
Итак, получено, что проектируемая ОЭА является совершенной (К=1) (15), согласована по критерию Найквиста (16) и обеспечивает достижение дифракционного предела инструментального разрешения (17), при этом для нее получено:
C
D=0,6м, F=9,2м, d=4,6мкм, (18)
2
Очевидно, что МКА ДЗЗ при Н=600км, λ=0,6мкм и D=0,6м находится на границе зон Френеля (ближняя зона) и Фраунгофера (дальняя зона), определяемой, как D/λ, и равной 600км=Н.  При этом плоскость изображения совпадает с фокальной плоскостью объектива, и дефокусировка формируемых изображений ДЗЗ отсутствует. Поэтому ОЭА МКА ДЗЗ не требует наличия на борту системы контроля и регулировки фокуса, что существенно уменьшает ее (ОЭА) вес и габариты.
Последовательность операций 1)÷11) предлагаемого способа проектирования ОЭА представлена на Фиг.3, а полученная в результате проектирования ОЭА  представлена на Фиг.1а и Фиг.1б.
C
Э
А
П
К
Здесь (Фиг.1а) для требуемого увеличения фокусного расстояния объектива F до согласующей величины  между объективом 1 и цифровым детектором 6 вводят фотоувеличительную оптику 3 с коэффициентом увеличения , равным коэффициенту совершенства проектируемой ОЭА, совмещая оптическую ось фотоувеличительной оптики с оптической осью объектива и размещая ее так, чтобы плоскость формируемых и детектируемых изображений 4, находилась в задней фокальной плоскости F сборки объектива 1 и фотоувеличительной оптики 3, а передний фокус фото увеличительной оптики 3 находился в фокальной плоскости 2(F) объектива 1. В качестве фотоувеличительной оптики можно использовать линзы Барлоу или стандартные микрообъективы, давно и успешно используемые для увеличения фокусного расстояния объектива в астрономии. Далее создают спроектированную ОЭА, размещают ее на борту МКА ДЗЗ, выводят МКА на орбиту и осуществляют дистанционное зондирование наблюдаемых участков земной поверхности, для чего в режиме орбитальной ориентации МКА ДЗЗ производят его программные развороты вокруг центра масс в продольном направлении, и при этом, подлетая к объекту наблюдения на расстояние, равное высоте полета Н, МКА ДЗЗ наводит на него ОЭА и удерживает ее в направлении зондируемого участка до тех пор, пока МКА не удалится от него на такое же расстояние Н. Это снижает скорость скольжения изображения зондируемого участка земной поверхности по приемной матрице цифрового детектора, что препятствует возникновению смаза регистрируемых изображений. Одновременно с этими разворотами, на борту МКА ДЗЗ в узком (изопланатичном) поле зрения фотоувеличительной оптики 3 получают серию из N коротко-экспозиционных (τ≤τ) в 5,6 (Фиг.1б) изображений зондируемого участка земной поверхности, статистически независимых по атмосферным искажениям (τ=6τ) и передают их по радиолинии 10,11 (Фиг.1б,в) на Землю для последующей обработки в соответствии с алгоритмическим обеспечением 15 (Фиг1в).
Дадим краткое обоснование алгоритмической технологии заявляемого способа в части алгоритма обработки 15 полученной серии «мгновенных», статистически независимых изображений и рассмотрим ее реализацию по блок-схеме, представленной на Фиг.4.
Предлагаемый способ компенсации атмосферных искажений основан на вероятностном подходе к достижению дифракционного разрешения МКА ДЗЗ в условиях атмосферных искажений. Суть этого подхода заключается в том, что в силу случайности мгновенных атмосферных искажений существует вероятность того, что в некоторые моменты времени эти искажения на приемной апертуре телескопа могут быть пренебрежимо малы. При этом, либо мгновенная дисперсия атмосферных искажений фазы Ө волнового фронта светового излучения на приемной апертуре телескопа D, определяемая, как [22]
2
[рад]     (19)
O
Э
А
А
П
К
Д
[22] (Greenwood D.P., Fried D.L., «Power Spectrum Requirements for Wavefront Compensative Systems», J. Opt. Soc. Am., 1976, v.66, p.193), оказывается меньше единицы () , либо величина мгновенного пространственного радиуса корреляции атмосферных искажений поля светового излучения  оказывается больше величины диаметра приемной апертуры телескопа D >D). Коротко-экспозиционные (τ<τ) изображения объекта, регистрируемые в эти моменты времени, при отсутствии какого-либо усреднения атмосферных искажений (Δλ<Δλ и τ=6τ>τ), могут характеризоваться дифракционным разрешением, но только при наличии рассмотренного выше согласования ОЭА по критерию Найквиста.
O
Исследуем вероятность подобных ситуаций Р(>D) в зависимости от соотношения пространственных характеристик атмосферы и телескопа, что позволит оценить среднее число коротко-экспозиционных изображений К~1/Р(>D), которое необходимо зарегистрировать, чтобы получить среди них хотя бы одно дифракционно ограниченное.
Анализ, проведенный в работе [23] (Cвиридов К.Н., Бакут П.А., Польских С.Д., Хомич Н.Ю., «Исследование вероятностного подхода к достижению дифракционного разрешения оптических систем в условиях атмосферного видения», Оптика атмосферы, 1989, т. 2, № 1, с. 41), показал, что случайная величина  подчиняется гамма - распределению вероятности Р().
В соответствии с упомянутой выше необходимостью удовлетворения неравенства
,   (20)
обеспечивающего достижение дифракционного разрешения, естественно было определить вероятность хорошего видения через гамма-распределение , как [23]
(21)
В результате проведенных исследований [23] вероятности хорошего видения наземных оптических систем наблюдения космического пространства, для которых всегда D>, получена следующая эмпирическая формула оценки вероятности хорошего видения при D>3,5
(22)
9
На основании этой формулы были рассчитаны вероятности хорошего видения с Земли через турбулентную атмосферу космических объектов, и получено, что: при  имеем , a K=8; при  имеем, a K=64; при имеем , a K=794; при  имеем , a K=15823 и т.д. Отсюда видно, что для достижения пятикратного выигрыша в разрешении, то есть, для достижения дифракционного разрешения при (D/ )=5, необходимо в среднем зарегистрировать не менее К=64 коротко-экспозиционных изображений; при (D/6 необходимо зарегистрировать не менее К=794 коротко-экспозиционных изображений, а при (D/)=10 и более требуемое число регистрируемых изображений объекта становится настолько большим (К≥1,96·10), что описанный вероятностный подход в астрономии и оптических системах контроля космического пространства оказывается практически нереализуемым на современных телескопах больших диаметров.
O
А
В рассматриваемой здесь задаче дистанционного зондирования Земли, напротив, ситуация с вероятностным достижением дифракционного разрешения в условиях атмосферного видения оказывается прямо противоположной. Это обусловлено тем, что величина среднего r и мгновенного  пространственных радиусов корреляции атмосферных искажений поля светового излучения увеличивается при распространении светового излучения от турбулентного слоя атмосферы (L=10км) у земной поверхности  до МКА ДЗЗ, находящегося на высоте Н (например, Н=600км), и определяется по формуле [6], как
, где (23)
A
Это происходит потому, что в пределах зоны Френеля (при Н=600км, λ=0,6мкм, D=0,6м) от каждой точки зондируемой земной поверхности в направлении МКА ДЗЗ распространяется расходящаяся сферическая волна, а искажения волнового фронта, приобретенные ею в пределах турбулентного слоя L, по мере ее распространения до высоты Н  МКА ДЗЗ пространственно увеличиваются (Фиг.5).
А
O
На основании (23) нетрудно убедиться, что при L=10км и Н=600км величина r(λ,H) равна
(24)
O
Этот результат свидетельствует о том, что средняя величина r(λ,H), как и мгновенная величина , существенно больше диаметра апертуры объектива МКА ДЗЗ, полученного выше и равного D=0,6м. В этих условиях, когда
, (25)
С
Э
А
П
К
А
атмосферные искажения на приемной апертуре объектива ОЭА МКА ДЗЗ представляют собой случайные наклоны волнового фронта (Фиг.5), приводящие к случайным сдвигам коротко-экспозиционных изображений. При этом (25) вероятность хорошего видения   и , то есть, каждое зарегистрированное коротко-экспозиционное изображение в серии при отсутствии пространственного усреднения атмосферных искажений (25) оказывается дифракционно ограниченным, но случайно сдвинутым, при выполнении упомянутых выше требований: согласования ОЭА по критерию Найквиста (2d=λF/D) и отсутствия временного и частотного усреднения атмосферных искажений (τ<τ, τ=6τ; Δλ<Δλ).
А
Оценим величину спектральной полосы Δλ (Δλ<Δλ), обеспечивающей отсутствие частотного усреднения атмосферных искажений в системах ДЗЗ.
А
В соответствии с проведенными ранее исследованиями [24] (Cвиридов К.Н., Бакут П.А., Белкин Н.Д., Устинов Н.Д., «Статистическая оценка спектральной полосы метода пятенной интерферометрии», Оптика и спектроскопия, 1983, т.54, вып.5, с.890) получено, что оптимальная полоса спектральной фильтрации принимаемого светового излучения Δλ, обеспечивающая отсутствие частотного усреднения атмосферных фазовых искажений в формируемых изображениях, должна быть меньше полосы Δλ, обеспечивающей когерентность атмосферных фазовых флуктуаций в принимаемом световом излучении и определяемой, как
,  (26)
где λ–средняя длина волны солнечного излучения подсвета в полосе Δλ, а определяется (19).
На основании (19) с учетом характерного для ДЗЗ соотношения (25) получаем, что
<1 ,    (27)
А
П
П
А
А
и при λ=0,6мкм (6000Å), величина Δλ>6000Å, то есть во всем видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн принимаемого светового излучения (Δλ=4300Å÷9300Å) имеем Δλ<Δλ, то есть, частотное усреднение атмосферных фазовых искажений светового излучения в задачах ДЗЗ отсутствует, так как всегда выполняется условие Δλ<Δλ. Это объясняет и оправдывает отсутствие в канале формирования изображений ОЭА (Фиг.1а) узкополосных светофильтров.
П
С
З
К
ИК
С
З
К
ИК
П
Для осуществления многозональной тематической обработки данных ДЗЗ в мультиспектральных каналах видимого и ближнего ИК диапазонов спектра, необходимо анализировать дифракционно ограниченное изображение, полученное в панхроматическом спектральном диапазоне {Δλ=(0,43÷0,93)мкм}, через мультиспектральные узкополосные фильтры, такие, например, как: синий {Δλ=(0,43÷0,53)мкм}, зеленый {Δλ=(0,53÷0,63)мкм}, красный {Δλ=(0,63÷0,73)мкм} и ближнего ИК {Δλ=(0,73÷0,93)мкм}. Многозональная тематическая обработка позволяет отслеживать изменения состояний естественных и искусственных объектов на зондируемом участке земной поверхности. Так, например, в синем спектральном диапазоне Δλ осуществляют: картирование прибрежных вод, разделение почвы и растительности, распознавание хвойных и лиственных пород деревьев; в зеленом спектральном диапазоне Δλ осуществляют: определение интенсивности вегетации, оценивают здоровье растений; в красном спектральном диапазоне Δλ выделяют особенности растительности; в ближнем ИК диапазоне Δλ оцениваются различия свойств биомассы и прибрежных зон, а в панхроматическом спектральном диапазоне Δλ осуществляют картографирование и решают другие задачи ДЗЗ сверхвысокого разрешения.
При накоплении серии из М коротко-экспозиционных изображений, отобранных из N зарегистрированных изображений, отношение сигнал/шум (контраст) в результирующем изображении увеличивается в  раз. Оценим величину этого выигрыша.
В рассмотренном выше примере, регистрация изображений зондируемого участка земной поверхности осуществляется при программных разворотах МКА ДЗЗ вокруг центра масс для удержания ОЭА, нацеленной на этот участок. При этом МКА ДЗЗ проходит 1200км со скоростью 7км/сек, и общее время регистрации составляет 170сек. Учитывая, что стратегией «выборочного кадра» регистрируют 7 кадров в секунду, получаем, что за время наблюдения в 170сек регистрируется N=1190 коротко-экспозиционных, статистически независимых изображений зондируемого участка земной поверхности. Отбраковывая при обработке, например, 25% от N зарегистрированных изображений, получаем для сдвигов и накопления М=900 изображений, и выигрыш в повышении контраста результирующего изображения составит =30раз.
В соответствии с проведенными исследованиями предлагается следующая последовательность операций обработки зарегистрированной серии из N дифракционно ограниченных, случайно сдвинутых и ослабленных атмосферой, малоконтрастных изображений:
1) анализируют зарегистрированную серию из N дифракционно ограниченных, случайно сдвинутых и ослабленных атмосферой, малоконтрастных изображений
,   (28)
O
A-T
ш
j
j
где I–истинное распределение интенсивности объекта (зондируемого участка земной поверхности), * звездочка обозначает интеграл свертки,I–мгновенный импульсный отклик (функция рассеяния точки) системы атмосфера-телескоп ДЗЗ в j-ый момент регистрации изображений,   I–аддитивный случайный шум в j-ом изображении, а j=1,…,N;
2) селектируют (отбирают) М наиболее четких и контрастных изображений из N зарегистрированных (28)
,     (29)
где i=1,…,M;
3) cуммируют отобранные изображения (29) и формируют при этом эталонное среднее изображение зондируемого участка земной поверхности
(30)
4) определяют в эталонном высококонтрастном, но искаженном усредненными сдвигами, изображении (30) характерные особенности (опорные ориентиры);
5) сравнивают каждое из М отобранных селекцией 2) коротко-экспозиционных изображений (29) с эталоном и находят в них характерные особенности эталона (30);
6) сдвигают каждое из М коротко-экспозиционных изображений (29), совмещая их характерные особенности с характерными особенностями эталона, и компенсируют при этом случайные атмосферные сдвиги зарегистрированных дифракционно ограниченных изображений, искаженных аддитивным шумом
,(31)
T
И
i
где I–ФРТ телескопа (картина Эри), а I–неискаженное случайными атмосферными сдвигами дифракционно ограниченное малоконтрастное  i–ое изображение зондируемого участка земной поверхности;
7) накапливают М сдвинутых в 6) дифракционно ограниченных малоконтрастных изображений (31), увеличивая при этом контраст результирующего изображения в  раз, и получают высококонтрастное высокого (дифракционного) разрешения цветное изображение  зондируемого участка земной поверхности для картографирования и других задач ДЗЗ сверхвысокого разрешения
,     (32)
где –дифракционно ограниченное изображение зондируемого участка земной поверхности;
8) анализируя панхроматическое высококонтрастное и высокого (дифракционного) разрешения изображение (32) через мультиспектральные  узкополосные фильтры, осуществляют многозональную тематическую обработку, при которой в интересах различных потребителей оценивают изменения состояний естественных и искусственных объектов на зондируемом участке земной поверхности.
Итак, вследствие проведенных исследований и сравнения предлагаемого  изобретения с прототипом и аналогами, можно сделать следующее заключение.
В результате предложенного совершенного проектирования () проведенного на базе критерия РКС, оптико-электронная аппаратура (ОЭА) МКА ДЗЗ согласована по критерию Найквиста ( ) и обеспечивает достижение дифракционного предела инструментального разрешения МКА ДЗЗ на местности ().
Э
А
П
К
Д
А
O
Для устранения атмосферных искажений при получении изображений ДЗЗ предложено исключать временное (τ≤τ, τ=6τ>τ) и частотное (Δλ<Δλ) усреднение атмосферных искажений светового излучения, что, при характерном для ДЗЗ отсутствии пространственного усреднения {r(λ,H)>D}, позволяет регистрировать «мгновенные» дифракционно ограниченные изображения, случайно сдвинутые и ослабленные атмосферой.
Для устранения этих атмосферных искажений при обработке зарегистрированной серии из N «мгновенных» изображений селектируют (отбирают) среди них М изображений хорошего качества, отбраковывая размытые и зашумленные, а, сдвигая и накапливая отобранные изображения, компенсируют атмосферные сдвиги и ослабление контраста изображений и получают при этом высококонтрастное и высокого (дифракционного) разрешения панхроматическое изображение зондируемого участка земной поверхности для различных задач ДЗЗ сверхвысокого разрешения и многозональной тематической обработки.
Таким образом, технический результат предлагаемого способа, а именно, достижение дифракционного предела разрешения изображений ДЗЗ и повышение их контраста путем согласования ОЭА получения изображений ДЗЗ по критерию Найквиста и компенсации атмосферных искажений изображений ДЗЗ при их получении и обработке -достигнут.
Cписок использованной литературы
1. Fried D.L., «Optical Resolution through a Randomly Inhomogeneous Medium for Very Long and Very Short Exposures», J. Opt. Soc. Am.,1966, v.56, №10,р.1372.
2. Свиридов К.Н., Бакут П.А., Устинов Н.Д., Хомич Н.Ю., «Проблемы изопланатичности оптических систем, формирующих изображения через турбулентную атмосферу», Оптика и спектроскопия, 1986, т.60, вып.3, с.611.
3. Петри Г. «Российский спутник «Ресурс-ДК»: альтернативный источник данных сверхвысокого разрешения», Геоматика, 2010, №4, с.38.
4. Кирилин А.Н. и др., «Космический аппарат «Ресурс-П», Геоматика, 2010, №4, с.23.
5. Лавров В.В., Космические съемочные системы сверхвысокого разрешения, Геоинформационный портал ГИС-Ассоциации, 2010, №2, с.19;
6.Свиридов К.Н. «О предельном разрешении аэрокосмических систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ)», Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, 2014, т.1, вып.1, с.34.
7.Свиридов К.Н., Волков С.А., «Способ дистанционного зондирования Земли», Патент Российской Федерации №2597144 от 16.08.2016 по заявке на изобретение № 2015129353 от 17.07.2015, заявитель и правообладатель АО «Российские космические системы».
8.Свиридов К.Н., «Дистанционное зондирование Земли с адаптивной компенсацией случайных наклонов волнового фронта», Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, 2015, т.2, вып.3, с.12.
9.Свиридов К.Н., «Способ получения и обработки изображений, искаженных турбулентной атмосферой», решение о выдаче патента на изобретение № 2016100934/28(001133) от 12.03.2019 по заявке на изобретение №2016100934 от 14.01.2016, заявитель и правообладатель АО «Российские космические системы».
10. Свиридов К.Н., «Адаптивная фильтрация средних изображений, искаженных турбулентной атмосферой», Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы», 2015, т.2, вып.4, с.40.
11. Cвиридов К.Н., О предельном инструментальном разрешении космического аппарата «Ресурс-П» (№1,2,3)», Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, 2017, т.4, вып.2, с.20-28.
12. Свиридов К.Н., Тюлин А.Е., О критериях оценки предельного инструментального разрешения космического аппарата дистанционного зондирования Земли на местности, научно-технический журнал «Информация и Космос», 2018, №3, с.143-146.
13. Свиридов К.Н., «Способ дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ)», Патент Российской Федерации №2531024 от 20.08.2014 по заявке на изобретение №2013125540 от 03.06.2013, заявитель и правообладатель АО «Российские космические системы».
14. Свиридов К.Н., «О новом подходе к получению и обработке изображений ДЗЗ, искаженных турбулентной атмосферой», Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, 2014, т.1, вып.4,с.28.
15. Уэзерелл У., Оценка качества изображения, гл.6 в кн. под ред. Р.Шеннона, Дж. Вайанта, Проектирование оптических систем, 1983, изд. Мир, М..
16. Ground Sample Distance (GSD) Support (http://support.pix4d.com/he/en-us/articles /202559809);
17. Хмелевской С.И., Тенденции в развитии цифровых аэросъемочных систем. Критерии сравнения и оценки, Геопрофи, 2011, №1, с.11);
18. Замшин В.В., Методы определения линейной разрешающей способности
оптических и радиолокационных аэрокосмических изображений, Известия
ВУЗов, геодезия и аэрофотосъемка,2014, №1, с.43);
19.Характеристика качества изображения на сайте НТЦ Красногорский завод им. С.А. Зверева (http://www.com/qa/qa-resolution.html);
20. ГОСТ 15115-78, Системы телескопические для оптических приборов. Визуальный метод определения предела разрешения, Гос. Комитет СССР по стандартам,М.,1978;
21. Кононов В., Основы методики расчета разрешающей способности и точности определения координат аэрофототопографических систем. (http://www.geomatika.kiev.ua/training/DataCapture/RemoteSensing/Chapter103html);
22. Greenwood D.P., Fried D.L., «Power Spectrum Requirements for Wave front Compensative Systems», J. Opt. Soc. Am., 1976, v.66, p.193;
23. Свиридов К.Н., Польских С.Д., Бакут П.А., Хомич Н.Ю., Исследование вероятностного подхода к достижению дифракционного разрешения оптических систем в условиях атмосферного видения, Оптика атмосферы, 1989, т.2, №1, с.41;
24. Свиридов К.Н., Бакут П.А., Белкин Н.Д., Устинов Н.Д., «Статистическая оценка спектральной полосы метода пятенной интерферометрии», 1983, т.54, вып.5, с.890.