Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Показатель информативности оптико-электронного тракта, новое решение сквозного частотно-энергетического уравнения .. 15
1.1. Выбор показателя информативности оптико-электронного тракта . 15
1.2. Радиационная чувствительность оптико-электронной аппаратуры. 19
1.3. Оптико-электронный тракт. Математическая модель формирования цифровых изображений 23
1.4. Метод априорной оценки выбранного показателя 30
1.5. Пороговая частотно-энергетическая характеристика и методика её оценки, расчёт показателя информативности 33
Выводы по главе 48
Глава 2. Апостериорная оценка характеристик элементов оптико-электронного тракта и его показателя информативности 50
2.1. Способ оценки уровня турбулентности среды распространения электромагнитного излучения видимого диапазона с применением обобщённой пограничной кривой 50
2.1.1. Метод оценки пространственных свойств функциональной пары "оптическая система+фотоприёмник" по обобщённой пограничной кривой 53
2.1.2. Способ оценки турбулентности по обобщённой пограничной кривой 61
2.2. Методика апостериорной оценки показателя информативности оптико-электронного тракта 67
2.3. Результаты экспериментальной проверки разработанной методики 72
Выводы по главе 82
Глава 3. Результаты анализа альтернативных вариантов перспективных оптико-электронных трактов высокого разрешения 83
3.1. Исходные данные на анализ ОЭТ высокого разрешения 83
3.2. Результаты измерения собственных шумов и ёмкости потенциальной ямы фоточувствительного элемента ПЗС 86
3.3. Результаты измерения апертурной функции фоточувствительного элемента ПЗС 90
3.4. Методика оценки векторно-скоростного поля бега изображения в плоскости фотоприёмного устройства, с учётом ошибок наведения и стабилизации осей космического аппарата 92
3.5. Анализ полученных результатов 117
3.6. Выводы по главе 129
Заключение 131
Список литературы 134
- Выбор показателя информативности оптико-электронного тракта
- Способ оценки уровня турбулентности среды распространения электромагнитного излучения видимого диапазона с применением обобщённой пограничной кривой
- Методика апостериорной оценки показателя информативности оптико-электронного тракта
- Результаты измерения собственных шумов и ёмкости потенциальной ямы фоточувствительного элемента ПЗС
Введение к работе
Развитие космических методов и средств дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) является одним из наиболее важных и перспективных направлений космической деятельности России с её огромной территорией и географическим положением. Богатство природных ресурсов, труднодоступность отдельных районов, сложность в организации и проведении наземных, аэрологических и авиационных наблюдений обуславливают необходимость дальнейшего развития средств и методов ДЗЗ.
С помощью данных ДЗЗ решаются многие важные научные и практические задачи экономического, социального и экологического развития как отдельных регионов, так и страны в целом.
В настоящее время данные ДЗЗ широко используются при решении задач в интересах сельского, лесного и рыбного хозяйства; поиске, инвентаризации и освоении природных ресурсов; обеспечении судоходства и ^ транспортировки грузов; прокладке и контроле состояния различных коммуникаций; контроле чрезвычайных ситуаций и оценке экологической обстановки; охране природы; прогнозировании погоды; оценке глобальных изменений и эволюции климата; создании и ведении территориальных информационных систем и др.
К настоящему времени среди средств дистанционного зондирования поверхности Земли доминируют панхроматические и спектрозональные оптико-электронные средства наблюдения. Они включают, как правило, бортовую специальную аппаратуру на базе фотоприемников с пространственно-регулярной дискретной структурой элементов.
Определение рациональных характеристик оптико-электронной аппаратуры (ОЭА) с учетом особенностей синтеза цифровых изображений таким фотоприемником требует разработки адекватных методик, позволяющих достоверно прогнозировать качество цифровых изображений.
^ В сквозном оптико-электронном тракте (ОЭТ) присутствует явно
нелинейное звено - зрительный анализатор (ЗА). Известно, что частотные
'* характеристики зрительного анализатора зависят от пространственного
* спектра объектов наблюдения и от характеристик оптико-электронной
аппаратуры [25, 41], т.е. частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) ЗА
" I мультипликативна. Но в условиях большого многообразия условий синтеза
цифровых изображений характер этой мультипликативности выявить бывает очень сложно.
В существующих методиках оценки линейного разрешения на местности (ЛРМ) пороговое значение видимого (эффективного) отношения сигнала к шуму (С/Ш) в изображении штриха группы элемента миры (SNR.Bn) выбиралось между 3.0 - 3.5. При этом указывалось, что при таком значении С/Ш в изображении шпалы миры наблюдается некое образование,
*' отличное от шумов. Принятый критерий устанавливает правило обнаружения
шпалы на фоне аддитивных гауссовых шумов с вероятностью 0.8-0.85.
« , Согласно теории [35], связывающей разрешение эквивалентной
штриховой миры с видением объекта, качество видения можно предсказать, определив максимальную разрешаемую частоту эквивалентной миры, имеющей тот же контраст и наблюдаемой при тех же условиях, что и объект. Иными словами, при оценке качества видения объекта наблюдения речь идет не об обнаружении элементов теста, а об определении его параметров, которые и будут служить мерой качества изображения объекта. Более того, во многих научных организациях проводились
4 многочисленные экспериментальные работы, посвященные выявлению
. зависимостей вероятности идентификации конкретных простых объектов от
величины разрешения на местности. В этих экспериментах величина линейного разрешения на местности оценивалась по критерию предельно-разрешаемого элемента стандартной трехшпальной миры. Полученные
s зависимости позволяют оценить вероятность идентификации простого
*>
7 объекта (до класса, вида, типа), если известно линейное разрешение на местности.
Таким образом, для априорных оценок информативности изображающих систем разумно использовать тот же, что и в экспериментах, критерий дешифрирования предельно-разрешаемого элемента стандартной трехшпальной миры.
Для этого в работе [10] была оценена величина SNRBn, позволяющая с требуемой вероятностью дешифрировать предельно-разрешаемый элемент стандартной трехшпальной миры. При этом было получено новое значение SNR-вгі) которое составило 8.5 - 9.0. Однако, результат был получен в ограниченных условиях наблюдения. Тест объект представлял собой только вертикальную группу элемента миры, и пределы изменения отношения ширины шпалы к шагу выборки составляли 1.1 - 1.3. Более того, результат получен для наилучшей фазы выборки. Не рассматривались пространственные частоты, максимально приближенные к частоте Найквиста, на которой фаза выборки приводит к наибольшим мультипликативным искажениям 1-го рода.
Также следует отметить, что в существующих методиках неоднозначно определяется коэффициент, отражающий повышение отношения сигнала к шуму в изображении шпалы за счет суммации ЗА. Так, наибольшая неоднозначность проявляется, когда ширина шпалы миры приближается к периоду дискретизации.
В связи с этим необходимо выявить причины возникновения неоднозначности при априорном определении показателя информативности ОЭТ для чего:
выявить специфику восприятия цифровых изображений различного спектрального состава зрительным анализатором оператора-дешифровщика;
найти способ корректного учёта вышеотмеченных не решённых проблемных вопросов путём введения некоторого единого функционала,
8 легко модифицируемого под оценку показателя информативности сквозного ОЭТ по любым тестам и критериям дешифрирования их элементов.
В реальных условиях эксплуатации ОЭА пространственно-частотные характеристики её отдельных звеньев наиболее сильно подвержены влиянию различных дестабилизирующих факторов, снижающих качество изображения. Отсюда вытекает необходимость создания адекватной апостериорной методики оценки показателя информативности оптико-электронного тракта, в которой оценка качества функционирования ОЭА проводится по целевой информации.
Очевидно, что апостериорная оценка показателя информативности ОЭТ должна проводиться по выбранному тест-объекту.
При современном проектировании оптико-электронных систем дистанционного зондирования Земли возникает задача учета ориентационных и стабилизационных характеристик космического аппарата.
Ошибки в определении пространственной ориентации осей космического аппарата (КА) и отсутствие их высокоточной стабилизации влияет на оценку величины и направления вектора скорости бега изображения в плоскости фотоприемного устройства (ФПУ). Значительное несогласование вектора скорости бега изображения с временными режимами считывания информации с ФПУ, особенно для режима временной задержки с накоплением, обусловливает увеличение «смаза» и, как следствие, приводит к снижению качества формируемых ОЭА изображений.
В связи с этим возникает необходимость оценки векторно-скоростного поля бега изображения в картинной плоскости ОЭА. Результаты оценок позволят выбрать оптимальный режим работы ФПУ, а при их использовании в априорной методике оценки качества цифровых изображений - определить степень снижения показателя информативности.
Актуальность работы.
Современные требования, предъявляемые к уровню целевой эффективности систем космической разведки наземных объектов,
предопределяют всё возрастающую роль оптико-электронных средств оперативного наблюдения (мониторинга, дистанционного зондирования) в общей совокупности привлекаемых средств. Задачи оперативного космического контроля природных ресурсов, исследования динамики протекания природных и антропогенных процессов, процессов стратегического характера и т.д., выдвигают высокие требования к качеству получаемой целевой информации.
Так, к космическим оптико-электронным системам предъявляются жесткие требования по разрешению, с целью получения высокоинформативных данных о состоянии исследуемых наземных объектов.
Отсюда вытекает необходимость и актуальность создания адекватных методик, позволяющих осуществлять анализ качества цифровых изображений. Использование этих методик позволит повысить достоверность результатов оценок и правильно выбрать технические характеристики оптико-электронных систем.
В диссертационной работе получено новое решение актуальной научно-технической задачи связанной с оценкой показателя информативности ОЭТ космической системы ДЗЗ в видимом диапазоне спектра.
Целью диссертации является:
Повышение уровня достоверности априорных и апостериорных оценок показателя информативности ОЭТ. Достижение основной цели в работе реализовано за счёт:
1. Исследования совокупных частотно-энергетических свойств звеньев выборки, зрительного анализатора, визуализатора и описания этих свойств единым функционалом применительно к любым тестам и критериям дешифрирования их элементов.
2. Разработки математической модели, описывающей векторно-
скоростное поле бега изображения в плоскости фотоприёмного устройства с
учётом ошибок наведения и стабилизации осей космического аппарата.
3. Разработки методики апостериорной оценки показателя
информативности оптико-электронного тракта.
Объектом исследования является оптико-электронный тракт. В качестве предмета рассмотрения выступает информативность оптико-электронного тракта.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Способ оценки уровня турбулентности среды распространения
электромагнитного излучения видимого диапазона, с привлечением
обобщенной пограничной кривой.
2. Пороговая частотно-энергетическая характеристика оптико-
электронного тракта, включающая звено выборки и методика её оценки.
3. Методика оценки векторно-скоростного поля бега изображения в
плоскости фотоприёмного устройства, с учётом ошибок наведения и
стабилизации осей космического аппарата.
4. Методика апостериорной оценки показателя информативности
оптико-электронного тракта.
5. Результаты измерения собственного шума фотоприёмного
устройства, апертурной функции его элемента и ёмкости потенциальной ямы.
6. Результаты анализа двух вариантов информационноёмкой оптико-
электронной аппаратуры для малого космического аппарата, решающего
задачи дистанционного зондирования Земли.
Научная новизна работы заключается в том, что: 1. Предложен способ оценки уровня турбулентности среды распространения электромагнитного излучения, основанный на определении апертурной функции среды по результатам измерения параметра обобщённой пограничной кривой (ОПК).
Предложено описание частотно-энергетических свойств звена выборки, визуализатора и зрительного анализатора осуществлять единым функционалом - пороговой частотно-энергетической характеристикой. Такой подход позволяет проводить оценку показателя информативности по любым тестам и критериям дешифрирования их элементов и повышает точность этой оценки (5 - 10%), особенно на частотах, близких к частоте Найквиста.
Разработана методика оценки векторно-скоростного поля бега изображения в плоскости фотоприёмного устройства с учётом ошибок наведения и стабилизации осей космического аппарата. Методика позволяет оценить возможное число шагов накопления для режима временной задержки с накоплением (ВЗН) в заданных зонах ФПУ и предъявить обоснованные требования к ориентационным и стабилизационным характеристикам КА.
4. Предложена методика апостериорной оценки показателя
информативности оптико-электронного тракта. Методика позволяет оценить
качество функционирования ОЭА в реальных условиях её эксплуатации.
Оценка осуществляется по целевой информации с привлечением обобщенной
пограничной кривой и введенной автором пороговой частотно-
энергетической характеристикой.
Достоверность полученных результатов обеспечивается и подтверждается:
- использованием в работе статистических методов, методов
преобразования Фурье, теорий вероятности, распознавания и линейной
фильтрации и оценкой погрешностей;
- визуализацией этапов оценки показателя информативности оптико-
электронного тракта;
- результатами проведённых экспериментальных исследований.
Работа выполнялась в Московском физико-техническом институте
(государственном университете). Тема диссертации связана с плановыми работами базового предприятия МФТИ НПО "Лептон".
12 Практическая значимость.
Предложенная в диссертации ПЧЭХ позволяет повысить адекватность оценки показателя информативности ОЭТ на 5 - 12%, легко модифицируется под оценку показателя качества по любым тестам и критериям дешифрирования их элементов.
Разработанная методика апостериорной оценки показателя информативности позволяет по целевой информации с высоким уровнем адекватности оценить качество функционирования ОЭТ в реальных условиях эксплуатации. Проведённые лабораторные исследования показывают, что расхождение между модельным и экспериментальным значениями показателя информативности составляет не более 3 — 4 процентов.
Проведены исследования по определению возможности функционирования зарубежной строчно-кадровой матрицы в режиме временной задержки с накоплением. Оценены основные энергетические пространственно-частотные характеристики исследуемого фотоприёмника.
Разработанная методика оценки векторно-скоростного поля бега изображения в плоскости фотоприемного устройства с учетом ошибок наведения и стабилизации осей космического аппарата позволяет предъявить требования к ориентационным и стабилизационным характеристикам КА и оценить допустимое число шагов накопления фотоприёмника.
По разработанной методике показателя информативности ОЭТ проведён анализ двух вариантов ОЭА. Показано, что использование ФПЗС KAI2093M ("Kodak") обеспечивает более высокое качество изображений (на 10-20%), чем ФПЗС "Круиз" (Россия).
Апробация работы, публикации.
Материалы диссертационной работы представлены на 3-й международной конференции-выставке "Малые спутники, новые технологии, миниатюризация, области эффективного применения в 21 веке" (г. Королёв
13 Московской области) и на XLV-й научной конференции Московского физико-технического института (Москва, 2002г.).
По теме диссертационной работы опубликованы две статьи и написаны три научно-технических отчёта.
Внедрение и использование.
Результаты диссертационной работы внедрены в процессе разработки и проектирования оптико-электронных систем в НПО "Лептон" и ОАО "Пеленг".
Структура и объём работы.
Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Содержит 140 страниц текста, 66 рисунков, 8 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 79 наименований.
Краткое содержание диссертационной работы.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследований, изложены положения, выносимые на защиту, краткое содержание работы. Помимо этого, указываются недостатки существующих методик априорной и апостериорной оценки показателя информативности ОЭТ.
В первой главе обосновывается выбор единого показателя информативности ОЭТ ОЭСН. Подчёркивается, что среди известных показателей качества (информативности) визуальной информации, получаемой аппаратурой дистанционного зондирования, наиболее полно отвечает требованиям системного подхода линейное разрешение на местности. Также рассматривается частный показатель информативности тракта - радиационная чувствительность.
Излагается методика априорной оценки показателя информативности оптико-электронного тракта. Приводится математическая модель ОЭТ и математическая модель формирования цифровых изображений. Акцентируется внимание на недостатках существующих арпиорных оценок показателя информативности ОЭТ. Излагается методика априорной оценки
14 показателя информативности ОЭТ с учётом пороговой чатотно-энергетической характеристики (ПЧЭХ). Приводится метод оценки ГТЧЭХ, для заданных тестов и критериев дешифрирования. Излагается метод расчета показателя информативности ОЭТ с учетом полученной ПЧЭХ.
Во второй главе излагается способ оценки уровня турбулентности среды распространения электромагнитного излучения видимого диапазона, который включает в себя метод оценки пространственных свойств функциональной пары "оптическая система+фотоприёмник" по обобщённой пограничной кривой. Приводится алгоритм и результаты эксперимента по оценке уровня турбулентности атмосферы по слабонаклонной горизонтальной трассе.
Раскрывается суть методики апостериорной оценки показателя информативности ОЭТ и представляются результаты лабораторной проверки разработанной методики.
В третьей главе проводится анализ перспективного ОЭТ высокого разрешения, и обсуждаются его результаты.
Приводятся исходные данные на синтез ОЭТ высокого разрешения, результаты измерения собственных шумов и ёмкости потенциальной ямы, апертурной функции фоточувствительного ПЗС.
Излагается методика оценки векторно-скоростного поля бега изображения в плоскости фотоприёмного устройства, с учётом ошибок наведения и стабилизации осей КА.
Проводится анализ двух альтернативных вариантов перспективных ОЭТ высокого разрешения и обсуждаются полученные данные.
В заключении диссертационной работы анализируются основные результаты с точки зрения их соответствия поставленным целям и положениям, вынесенным на защиту.
Выбор показателя информативности оптико-электронного тракта
Качество видовой информации - оценивается информативностью ОЭТ ОЭСН и определяет уровень идентификации объекта наблюдения по его изображению. В мировой практике широкое применение получил метод определения разрешающей способности ОЭТ ОЭСН с помощью наблюдения специальных тест-объектов. На примере многих исследований показано, что наиболее важным единым параметром, характеризующим возможный уровень видения объекта с помощью системы наблюдения, является разрешение различных штриховых мир, эквивалентных объекту. Штриховая мира, эквивалентная объекту, является одной из мир набора, в котором полная ширина мир равна критическому размеру объекта, а длина соответствует размеру объекта в направлении, перпендикулярном критическому [25, 35, 43]. Такой подход справедлив независимо от природы имеющегося сочетания различных дефектов изображения, возникающих в процессе формирования элементами сквозного информационного тракта. К их числу относятся частотные искажения, искажения, обусловленные шумовыми флуктуациями, и искажения, возникающие в силу неидеальности анализирующей и синтезирующей дискретизации.
Согласно теории, связывающей разрешение эквивалентной штриховой миры с видением объекта, качество видения можно предсказать, определив максимальную разрешаемую частоту эквивалентной миры, наблюдаемой при тех же условиях, что и объект. Эта теория впервые предложена Джонсоном [35, 78]. Джонсон определил число разрешаемых штрихов, соответствующих критическому размеру объекта. Широко известные теперь критерии Джонсона (табл. 1.1.1), усредненные по всем классам объектов, имеют следующие значения: Эти критерии были непосредственно выведены из экспериментальных наблюдений и являются достаточно строгими.
Однако, на практике в настоящее время эквивалентные миры не используются, а применяется, как правило, стандартная прямоугольная трёхшпальная мира. Именно по этой мире априорно и апостериорно оценивается качество систем наблюдения.
Среди известных показателей качества (информативности) визуальной информации, получаемой аппаратурой дистанционного зондирования, наиболее полно отвечает требованиям системного подхода линейное разрешение на местности.
Известные методики априорной оценки показателя информативности сквозного ОЭТ основаны на отыскании компонент частотно-энергетического уравнения, описывающего его частотные и энергетические свойства. Решение уравнения относительно предельно-разрешаемой пространственной частоты Упред стандартного тест-объекта (миры) обеспечивает нахождение показателя информативности - величины ЛРМ.
Для пояснения процесса оценки информативности по мире ниже приводится описание этого тест-объекта и критерий дешифрируемости ее предельно-разрешаемого элемента.
Все пространство теста заполнено элементами миры (в данном случае их четыре). Каждый элемент состоит из четырех групп различной ориентации. Элементы паспортно пронумерованы. Большему номеру элемента соответствует большая пространственная частота группы. Группа включает три параллельных штриха (шпал) с шириной, равной интервалу между шпалами, и длиной, соответствующей ширине всей группы.
Количественно информативность выражается величиной ЛРМ, определяемой полупериодом (шириной шпалы) группы предельно-разрешаемого элемента.
Элемент миры считается предельно-разрешимым, если изображение этого элемента позволяет наблюдателю распознать его по принятому критерию с заданной вероятностью, и он (этот элемент) предшествует не распознаваемому в этих условиях элементу.
Способ оценки уровня турбулентности среды распространения электромагнитного излучения видимого диапазона с применением обобщённой пограничной кривой
Поскольку производная функции Q р.к.(х У) резкого края по направлению у равна нулю, то сама функция Q р.к.(у) есть величина, постоянная для любых х.
Если в поле зрения изображающей системы присутствует объект, описанный выражением (2.1.5), то, измерив одномерную функцию распределения сигнала от этого объекта, формируемого в непрерывном фотоприемнике в направлении, перпендикулярном границе резкого края, и взяв от нее производную, можно определить апертурную функцию, то есть при приведенном условии (2.1.5) отыскать параметр гауссоиды вращения.
Нахождение параметра гауссоиды по распределению сигнала резкого края Q (х,у) путем непосредственного определения пограничной кривой по ее выборкам, взятым с периодом дискретизации приемника, связано в определенных ситуациях со значительной неоднозначностью.
Так как в реальной ОЭА практически всегда присутствуют в той или иной степени искажения первого рода, то восстановление Q (х,у) по ее отсчетам Q(x,y) никогда не бывает абсолютно точным. Указанное обстоятельство и приводит к неоднозначности определения Q р.к.(х У) и, следовательно, определяет наличие ошибки в оценке апертурной функции Т(х,у).
Эта неоднозначность еще более усугубляется при анализе реальной ОЭА, когда учитывается шумовая компонента, складывающаяся с отсчетами Q(x,y) и вызывающая изменение их значений.
Указанную неоднозначность возможно в значительной степени уменьшить за счет получения большого количества коррелированных отсчетов пограничной кривой на участке ее изменения. Искажения первого рода при этом существенно уменьшаются. Более того, усреднение некоррелированной шумовой составляющей по полученным отсчетам в еще большей степени устраняет отмеченную неоднозначность. Рис. 2.1.6 графически иллюстрирует данное положение.
Суть предлагаемого способа сводится к следующему. На изображении, сформированном анализируемой ОЭА и визуализированном на экране монитора, отыскиваются объекты, имеющие резкую границу смежных полей.
Методика апостериорной оценки показателя информативности оптико-электронного тракта
В реальных условиях эксплуатации ОЭА пространственно-частотные (далее частотные) характеристики её отдельных звеньев наиболее сильно подвержены влиянию различных дестабилизирующих факторов, снижающих качество изображения. Наиболее объективная оценка функционирования ОЭА может быть получена только по целевой информации. Отсюда вытекает необходимость создания адекватной апостериорной методики оценки показателя информативности оптико-электронного тракта.
Очевидно, что апостериорная оценка линейного разрешения на местности должна проводиться в условиях эксплуатации по выбранному тест-объекту (мире). При этом обязаны быть измерены параметры (характеристики) съёмки (спектральный коэффициент отражения элементов теста, коэффициент пропускания атмосферы, спектральная освещённость теста, спектральная яркость дымки и т. д.). Все эти мероприятия, во-первых, требуют больших материальных затрат, во-вторых, не всегда могут быть реализованы.
Будем предполагать, что по крайней мере в начальный период эксплуатации КА такие характеристики ОЭА как: - спектральный квантовый выход фотоприёмника; - уровень собственных шумов фотоприёмника; - ёмкость потенциальной ямы фотоприёмника; - спектральный коэффициент пропускания оптической системы и оптического фильтра не изменятся. Реально это условие достаточно точно выполняется. В настоящее время имеется инструмент, позволяющий оценить реальную ЧКХ по целевой информации. В принципе, эта характеристика может служить оценкой качества функционирования тракта. В п. 2.1.2 подробно изложен способ определения суммарной ЧКХ ОЭТ с помощью ОПК.
Однако, суммарная ЧКХ не является системным показателем качества. Поэтому предлагается другой способ, суть которого отражена на рис. 2.2.1. В соответствии с этим методом энергетический расчет тракта проводится по исходным данным и модельным описаниям условий наблюдения, принятым для априорной методики оценки качества информативности ОЭТ (см. гл. 1). Частотный же расчёт осуществляется по целевой информации.
В таблице 2.2.1 показаны параметры, характеристики отико-электронного тракта и условия съёмки тест-объекта, а также способы задания для априорной и апостериорной оценок показателя информативности ОЭТ. Для апостериорной оценки указывается возможность изменения характеристик ОЭТ в процессе его эксплуатации и возможность их измерения на момент съёмки.
Результаты измерения собственных шумов и ёмкости потенциальной ямы фоточувствительного элемента ПЗС
На предприятии ОАО "Пеленг" проведен эксперимент с целью определения возможности работы строчно-кадровой ФПЗС KAI2093M (фирма "Kodak") в режиме ВЗН. Матрица KAI2093M имеет формат 1920x1080 размером 7.4x7.4 мкм. Развёртка прогрессивная.
Создана установка, которая позволила во время проведения экспериментов получать изображения статических и динамических объектов. При их проведении условия съёмки не изменялись, изменялся лишь режим работы ФПЗС матрицы.
Выходной сигнал матрицы оцифровывался 12-разрядным АЦП и затем передавался по специализированному интерфейсу в ПЭВМ для последующей обработки. Обработка осуществлялась с помощью программного обеспечения, разработанного в среде программирования LABView (фирма National Instruments), специально предназначенной для работы с изображением, и других специализированных программ.
При проведении эксперимента матрица исследовалась в двух режимах -стандартном и режиме ВЗН.
В качестве статического объекта использовалось изображение пространственно-регулярной структуры, а динамического - вращающийся вал с нанесёнными на него штрихами с высоким контрастом.
В стандартном режиме осуществлялся строчно-кадровый перенос зарядовых пакетов. На рис. 3.2.1 показано изображение, полученное в стандартном режиме. Из рисунка 3.2.1 видно, что при съёмке в стандартном режиме изображение динамического объекта размывается. На рис. 3.2.2 показана съёмка тех же объектов, но в режиме ВЗН. В процессе эксперимента вектор скорости бега изображения по поверхности ФПЗС, с ошибкой не хуже 1%, совпадал с вектором переноса зарядовых пакетов в вертикальном регистре фотоприёмника.
При современном проектировании оптико-электронных систем дистанционного зондирования Земли возникает задача учета ориентационных и стабилизационных характеристик космического аппарата.
Ошибки в определении пространственной ориентации осей КА и отсутствие их высокоточной стабилизации влияет на оценку величины и направления вектора скорости бега изображения в плоскости фотоприемного устройства. Значительное несогласование вектора скорости бега изображения с временными режимами считывания информации с ФПУ, особенно для режима временной задержки с накоплением, обусловливает увеличение «смаза» и, как следствие, приводит к снижению качества формируемых ОЭА изображений.
В связи с этим возникает необходимость оценки векторно-скоростного поля бега изображения в картинной плоскости ОЭА. Результаты оценок позволяют выбрать оптимальный режим работы ФПУ, а при их использовании в априорной методике оценки качества цифровых изображений - определить степень снижения показателя информативности.
Предложена методика оценки скоростного поля бега изображения в плоскости ФПУ (картинной плоскости), позволяющая определить зависимость параметров вектора скорости от характеристик целевой аппаратуры и пространственного положения КА (методика 1).
Методика базируется на математической модели, имитирующей движение КА по заданной орбите с дискретным временным шагом в нормальном поле Земли с учетом второй зональной гармоники её геопотенциала [21,42,46].
На базе предложенной методики разработана другая (методика 2), позволяющая оценить вероятность допустимого количества шагов накопления сигнала в условиях ошибок наведения и точности стабилизации осей КА. Она построена с привлечением методов статистического моделирования, в частности, метода Монте-Карло.
Методики созданы в соответствии с алгоритмами, блок-схемы которых приведены на рис. 3.4.1, 3.4.2. На этих блок-схемах отмечены блоки, которые с точки зрения осуществляемых в них операций требуют пояснений. Далее по тексту раскрывается суть и описание этих операций.
