EA013800B1 - Авиационный оптический комплекс высокого пространственного и спектрального разрешения с автоматическим адаптивным управлением - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к аэросъемочным комплексам, предназначенным для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), регистрации спектрозональных изображений, измерения оптических характеристик подстилающих поверхностей, в том числе и морских. Авиационный оптический комплекс содержит блок оптических датчиков, включающий в себя четырехканальный модуль спектрозональной съемки и спектрорадиометр с приемником излучения, и блок управления, связанный с блоком оптических модулей. Каждый канал модуля спектрозональной съемки включает цифровую ПЗС-камеру с входным объективом и светофильтрами, которые размещены по меньшей мере по четыре на турели, снабженной шаговым двигателем и установленной в плоскости, перпендикулярной оси камеры с возможностью управляемого вращения вокруг оси с точной установкой соответствующего светофильтра перед приемником телевизионной ПЗС-камеры. Модуль спектрозональной съемки содержит также контроллер управления шаговыми двигателями турелей, связанный непосредственно с каждым шаговым двигателем и посредством блока управления - со спектрорадиометром, который выполняет роль прибора, управляющего работой всего комплекса.

Description

Изобретение относится к областям оптического приборостроения и аэрофотосъемки и может быть использовано для регистрации спектрозональных изображений высокого пространственного разрешения и спектров высокого спектрального разрешения, усредненных по некоторому участку исходного изображения. Заявляемый авиационный оптический комплекс, обладающий функциями самонастраивающейся системы, может использоваться при научных исследованиях в интересах сельского и лесного хозяйства, в экономике, экологии, при контроле чрезвычайных ситуаций и других областях.

Известно достаточно много авиационных панхроматических, спектрозональных, многоспектральных и гиперспектральных систем съемки, использующих как покадровый, так и сканирующий способы получения изображений [1-3]. На современном этапе развития средств дистанционного зондирования земли (ДЗЗ), как авиационных, так и космических, доминируют цифровые спектрозональные фотокамеры, использующие покадровый режим съемки, поддерживаемые большим количеством потребителей и коммерческими рынками, а также гиперспектральные системы, так называемые видеоспектрометры, позволяющие регистрировать до нескольких сотен изображений в узких спектральных каналах.

Известна цифровая модульная камера ЭМС [4], в которой три параллельные камеры могут регистрировать изображения в трех спектральных каналах для получения псевдоцветных композитных изображений. Она является характерным представителем цифровых спектрозональных фотокамер, которые позволяют получать изображения очень высокого пространственного разрешения с приемниками до 30-75 Мпиксел, но в ограниченном числе спектральных каналов. Недостатком подобных камер является небольшое число (от 3 до 6) фиксированных спектральных каналов, определяемых установленными перед объективами светофильтрами.

Известны и широко используются исследователями окружающей среды гиперспектральные системы (видеоспектрометры или спектрометры изображения) серии Сай (Сотрас! А1гЬогпе 8рес1годгарЫс 1тадег) фирмы А1Ьейа, Сапайа [5]. Системы серии Сай регистрируют до 288 отдельных спектральных изображений одновременно на длинах волн от 400 до 1000 нм с шириной полосы обзора от 550 пикселей (Сай-2 и Сай-3) и до 1500 пикселей пространственного разрешения (Сай-3 или Сай-1500). Недостатками подобных систем являются невысокое пространственное разрешение, которое в несколько раз хуже систем покадровой регистрации изображений, а также некоторая избыточность информации.

Наиболее близким к заявляемому авиационному оптическому комплексу является авиационный видеоспектральный комплекс ВСК-2 [6]. Комплекс состоит из блока оптических модулей (БОМ) и бортового управляющего вычислительного комплекса (БУВК). В состав БОМ входят блок спектрозональнополяризационной съемки БСПС-1, спектрорадиометр МС-09 и цветная обзорная видеокамера (ТВ-камера). Комплекс ВСК-2 снабжен блоком точного географического позиционирования (ОР8). Оптическая схема каждого из трех каналов блока спектрозональной поляризационной съемки (БСПС-01) состоит из последовательно расположенных поляризационного и интерференционного светофильтров и приемно-преобразующего свет устройства. Интерференционный светофильтр, выделив из интегрального светового потока узкий диапазон длин волн с шириной полосы пропускания на уровне 0,5 (полушириной спектральной зоны) от 10 до 30 нм, пропускает свет заданного участка спектра, который далее поступает на объективы черно-белых телевизионных камер. Световой поток определенного участка спектра фокусируется объективом на приемник излучения телевизионной камеры - ПЗС-матрицу, чувствительную в области 0,4-1,05 мкм (полный рабочий спектральный диапазон БСПС-01). Матричный приемник преобразует фотоны определенной длины волны в видеосигнал на выходе телевизионной камеры. Недостатком данного комплекса является то, что в нем использованы элементы невысокого пространственного разрешения, а спектрорадиометр выполняет функцию регистратора данных высокого спектрального разрешения.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание авиационного оптического комплекса высокого пространственного и спектрального разрешения с автоматическим адаптивным управлением, который имел бы более широкие функциональные возможности и обеспечивал бы повышение пространственного разрешения фотосъемки при значительном расширении управляемых в автоматическом режиме спектральных каналов. Комплекс также должен обеспечивать возможность увеличения количества регистрируемой информации и сохранения работоспособности при непредвиденных изменениях свойств (отражательных оптических характеристик) подстилающих поверхностей путем смены алгоритма функционирования для поиска оптимальных настроек отдельных элементов блока оптических модулей и состояний комплекса в целом.

Поставленная задача решается заявляемым авиационным оптическим комплексом, состоящим из блока оптических датчиков, содержащего многоканальный модуль спектрозональной съемки и спектрорадиометр с приемником излучения, и связанного с ним блока управления, включающего, по меньшей мере, блок питания и коммутации, центральный процессор, накопители данных, систему контроллеров, включая контроллер управления платой захвата изображения, и интерфейс оператора, причем каждый канал многоканального модуля спектрозональной съемки включает цифровую ПЗС-камеру с входным объективом, приемником и светофильтрами, которые размещены на турели, снабженной шаговым двигателем и установленной в плоскости, перпендикулярной оптической оси цифровой ПЗС-камеры с возможностью управляемого вращения с точной установкой соответствующего светофильтра перед прием

- 1 013800 ником цифровой ПЗС-камеры. Поставленная задача решается за счет того, что многоканальный модуль спектрозональной съемки выполнен четырехканальным и дополнительно содержит контроллер управления шаговыми двигателями, связанный посредством соответствующего устройства управления шаговым двигателем с каждым шаговым двигателем и посредством блока управления со спектрорадиометром с матричным приемником излучения, светофильтры выполнены в виде узкополосных интерференционных светофильтров, размещенных по меньшей мере по четыре на каждой турели, при этом каждый канал модуля спектрозональной съемки связан с отдельным контроллером управления платой захвата изображения блока управления, а спектрорадиометр связан с контроллером шаговых двигателей с возможностью автоматического выбора и управления комбинацией светофильтров и значений экспозиций цифровых ПЗС-камер по результатам измерения и анализа спектров отражения заданного участка съемки.

Таким образом, в заявляемом комплексе благодаря тому, что спектрорадиометр выполняет роль прибора, автоматически управляющего работой всего комплекса, существенно расширяются функциональные возможности аппаратуры в целом. При этом за счет возможности автоматического управления работой системы обеспечиваются более точный выбор и установка комбинации светофильтров в каждом конкретном случае, для каждого отдельного объекта.

В предпочтительных формах реализации в заявляемом комплексе контроллер управления шаговым двигателем выполнен с возможностью управления шаговым двигателем каждой турели в автоматическом или ручном режиме.

В предпочтительных формах реализации в заявляемом комплексе спектрорадиометр выполнен с возможностью автоматического выбора и управления экспозицией каждой цифровой ПЗС-камеры по результатам регистрации спектра отражения снимаемого объекта, пересчета дискретов аналогоцифрового преобразования (АЦП) в спектральную плотность энергетической яркости (СПЭЯ) и анализа спектральной сигнатуры с учетом различной спектральной ширины светофильтров, освещенности подстилающих поверхностей и кривой спектральной чувствительности фотоприемных матриц цифровых ПЗС-камер.

Упомянутые выше и другие преимущества заявляемого авиационного оптического комплекса будут рассмотрены ниже более подробно на одном из возможных, но не ограничивающих примеров реализации со ссылкой на позиции чертежей, на которых представлены:

фиг. 1 - структурная схема заявляемого авиационного оптического комплекса;

фиг. 2 - оптико-кинематическая схема блока оптических датчиков заявляемого авиационного оптического комплекса;

фиг. 3 - времена экспозиций спектральных каналов и их зависимости от ряда факторов;

фиг. 4 - схема пространственного сканирования спектрорадиометром с матричным приемником излучения.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого авиационного оптического комплекса. Авиационный оптический комплекс состоит из блока оптических датчиков и блока управления.

В свою очередь блок оптических датчиков включает многоканальный (в данном случае четырехканальный) модуль спектрозональной съемки (МСС), контроллер управления шаговыми двигателями и спектрорадиометр с матричным приемником излучения. МСС предназначен для получения четырех синхронных спектрозональных изображений в видимой и ближней ИК-областях спектра. Каждый канал МСС содержит цифровую ПЗС-камеру с входным объективом и приемником, турель с набором спектральных светофильтров и шаговым двигателем и устройство управления шаговым двигателем, связанное с контроллером управления шаговыми двигателями. В качестве съемочных камер в рассматриваемом примере авиационного оптического комплекса использованы, в частности, монохроматические цифровые ПЗС-камеры с приемными матрицами до 30 Мпиксел и с чувствительностью в диапазоне 0,35-1,05 мкм. МСС, таким образом, предназначен для одновременного получения оцифрованных спектрозональных изображений в четырех различных узких спектральных каналах.

Более подробно блок оптических датчиков комплекса авиационного оптического комплекса представлен в виде оптико-кинематической схемы на фиг. 2, на которой схематично изображены четырехканальный МСС и спектрорадиометр. Каждый из четырех каналов МСС включает монохроматическую цифровую ПЗС-камеру, соответственно 3, 6, 9 и 12, с входным объективом, соответственно 1, 4, 7 и 10, и турелью, соответственно 2, 5, 8 и 11. На каждой турели 2, 5, 8 и 11 установлены по четыре светофильтра (красный, желтый, зеленый, синий), которые изображены на фиг. 2 без указания позиций. Каждая турель 2, 5, 8 и 11 установлена в плоскости, перпендикулярной оптической оси 18, 19, 20 и 21 соответствующей камеры 3, 6, 9 и 12 с возможностью управляемого вращения с точной установкой соответствующего светофильтра перед приемником (приемной матрицей) 22, 23, 24, 25 соответствующей цифровой ПЗСкамеры 3, 6, 9 и 12.

Спектрорадиометр содержит входной объектив 13, входную щель 14 полихроматора спектрометра, вогнутую отражательную дифракционную решетку 15, плоское поворотное зеркало 16 и приемную малоформатную ПЗС-матрицу 17.

Блок управления, как уже было упомянуто выше, выполнен в виде рабочей станции (РС) управления и накопления данных и представляет собой многопроцессорный промышленный компьютер, содер

- 2 013800 жащий блок питания и коммутации, центральный процессор, накопители данных, систему контроллеров, включая контроллеры управления платой захвата изображения, и интерфейс оператора с монитором оператора (фиг. 1). Специалисты в данной области техники смогут без труда выбрать конкретную форму реализации каждого из упомянутых элементов (устройств) блока управления в каждом случае в соответствии с поставленными задачами. В связи с этим конкретные характеристики и параметры этих устройств, а также особенности соответствующего программного обеспечения в рамках данного описания рассматриваться не будут.

На фиг. 3 в графическом виде представлены времена (3) экспозиций спектральных каналов (светофильтр 1 (СФ1), светофильтр 2 (СФ2), светофильтр 3 (СФ3), светофильтр 4 (СФ4)) и их зависимости от ряда факторов. В частности, на фиг. 3 в виде кривой (1) представлена кривая спектральной чувствительности цифровых ПЗС-камер (в отн. ед.), а в виде кривой (2) представлена характерная кривая спектра отражения регистрируемого растительного объекта, зарегистрированная спектрорадиометром и пересчитанная из дискретов аналого-цифрового преобразования (АЦП) в спектральную плотность энергетической яркости (СПЭЯ, отн. ед.). Таким образом, в виде импульсов (3) на фиг. 3 представлена характерная для данного регистрируемого растительного объекта комбинация экспозиций для четырех интерференционных светофильтров (СФ1-СФ4) для каждой из цифровых ПЗС-камер.

На фиг. 4 представлена схема пространственного сканирования спектрорадиометром с матричным приемником излучения с борта самолета 25. На фигуре позициями обозначены: 22 - поле зрения МСС, 23 - поле зрения, определяемое входной щелью спектрорадиометра по оси X, 24 - кривая зависимости СПЭЯ от длины волны λ, ось Υ - вектор скорости полета самолета.

Заявляемый авиационный оптический комплекс работает следующим образом.

Используемый в заявляемой системе спектрорадиометр высокого спектрального разрешения предусмотрен для адаптивной замены светофильтров в процессе съемки и автоматического выбора значений экспозиций съемочных камер.

Кроме того, он выполняет и ряд других функций.

1. Автоматический выбор и установка экспозиций каждого канала МСС с учетом различных ширин каналов, определяемых интерференционными светофильтрами, освещенностей подстилающих поверхностей и спектральной чувствительности фотоприемных матриц.

2. Получение данных высокого спектрального разрешения (не менее 1024 спектральных каналов) для нескольких пространственных строк в кадре поперек трассы полета самолета, которые используются для расчета гиперспектральных изображений на основе методики интерполяции (специального программного обеспечения) изображений МСС и спектров, полученных спектрорадиометром.

3. Измерение спектров различных объектов и формирование спектральной базы данных, которая позволит расширить круг решаемых задач путем выбора новых оптимальных каналов МСС с установкой соответствующих светофильтров в турель.

4. Автоматический выбор в полете оптимальных фильтров (из числа установленных в турелях) и установка их в рабочее состояние по результатам измерения и анализа спектров отражения заданного участка снимаемой трассы.

С помощью спектрорадиометра получают спектры подстилающей поверхности, при этом отраженное излучение для каждого участка пространства проходит через входной объектив 13, входную щель 14, вогнутую отражательную дифракционную решетку 15, плоское поворотное зеркало 16 и поступает на приемную малоформатную ПЗС-матрицу 17. После чего полученную информацию в цифровой форме обрабатывают в РС с помощью соответствующих программ адаптивного управления МСС.

Данные высокого спектрального разрешения, усредненные по определенному участку пространства (см. фиг. 4), и специальное программное обеспечение (СПО) позволяют обеспечить экспресс-анализ спектральных характеристик отражения разнообразных природных фонов и искусственных объектов в абсолютных значениях спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ).

Результатами обработки и анализа полученных с помощью спектрорадиометра спектров высокого разрешения по алгоритмам СПО являются определение экспозиционных параметров съемки цифровых ПЗС-камер 3, 6, 9, 12 МСС и выбор спектральных зон съемки (т.е. положение турелей 2, 5, 8, 11, обеспечивающее размещение перед приемными матрицами цифровых ПЗС-камер 3, 6, 9, 12 соответственно, интерференционных светофильтров с определенной полосой пропускания), обеспечивающих наибольшую информативность и спектральный контраст.

Полученные таким образом установки автоматически вводятся в контроллер управления шаговыми двигателями турелей 2, 5, 8, 11, и через средство управления шаговым двигателем в каждом из четырех каналов МСС соответствующий управляющий сигнал подается на каждый шаговый двигатель и съемочные цифровые ПЗС-камеры 3, 6, 9, 12. Шаговые двигатели в соответствии с принятым управляющим сигналом поворачивают турели 2, 5, 8, 11 в плоскостях, перпендикулярных оптическим осям 18, 19, 20, 21 камер 3, 6, 9, 12 соответственно таким образом, что перед приемными матрицами 22, 23, 24, 25 цифровых ПЗС-камер 3, 6, 9, 12 соответственно устанавливается светофильтр определенного спектрального пропускания. Таким образом, применение управляемых контроллерами турелей 2, 5, 8, 11 с установленными на них узкополосными интерференционными светофильтрами обеспечивает оперативную замену

- 3 013800 спектральных зон съемки в автоматическом режиме. Кроме того, в системе предусмотрена возможность и ручного управления выбором спектральных зон съемки, так как контроллер управления шаговым двигателем выполнен с возможностью управления шаговым двигателем каждой турели и в автоматическом, и в ручном режимах, т.е. выбор определенных светофильтров осуществляется либо по команде оператора, либо автоматически непосредственно в процессе съемки.

Для обеспечения необходимой пропускной способности каждая камера МСС подключена к отдельной плате захвата изображений. Синхронизация срабатываний цифровых ПЗС-камер МСС осуществляется с использованием триггеров цифровых ПЗС-камер (триггеров плат захвата изображений).

Для накопления данных используются высокоскоростные накопители с возможностью горячей замены.

Достаточно широкий круг прикладных задач, решаемых с помощью заявляемого авиационного оптического комплекса, вызывает необходимость соответствующего широкого набора интерференционных фильтров (каналов регистрации изображений).

Если для решения одной конкретной задачи распознавания или классификации объектов, как правило, достаточно 3-4 каналов, то для обеспечения возможности решения аналогичных задач для многих классов объектов и определения различных параметров их состояния должен быть обеспечен выбор необходимого набора светофильтров (смены каналов), в том числе в ходе одной серии съемок. Такую технически простую смену каналов обеспечивает управляемая турель с фильтрами. В данном примере реализации 16 светофильтров (4 турели по 4 светофильтра в каждой) выбраны на основе анализа спектров отражения различных растительных объектов, а также искусственных объектов на природных фонах.

Источники информации

1. Патент ЯИ № 2341819 С2, опубл. 20.12.2008.

2. Патент ЯИ № 2271558 С1, опубл. 10.03.2006.

3. Патент ЯИ № 2216711 С1, опубл. 20.10.2003.

4. Сайт компании 1и1егдгарй. Цифровая топографическая камера ЭМС® [найдено 15.01.2009]. Найдено в Интернет: 1Шр://\\л\лт.т-а1еПег.ги/бтс/.

5. М.8.СНиЬеу е! а1. 0Ь]ес1-Ьа5еб Лпа1у515 о£ 1коио§-2 1тадегу Рог Ехйасйои о£ Еотей 1иуеи1огу Ратате1ет8. 1. Рйо1одгатте1пс Еидтеегтд & Яето!е 8епщид, Лрп1 2006, р. 383-394.

6. Б.И.Беляев, Л.В.Катковский. Оптическое дистанционное зондирование. Минск: БГУ, 2006, с. 168181.

Claims (3)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Авиационный оптический комплекс, состоящий из блока оптических датчиков, содержащего многоканальный модуль спектрозональной съемки и спектрорадиометр с приемником излучения, и связанного с ним блока управления, включающего, по меньшей мере, блок питания и коммутации, центральный процессор, накопители данных, систему контроллеров, включая контроллер управления платой захвата изображения, и интерфейс оператора, причем каждый канал многоканального модуля спектрозональной съемки включает цифровую ПЗС-камеру с входным объективом, приемником и светофильтрами, которые размещены на турели, снабженной шаговым двигателем и установленной в плоскости, перпендикулярной оптической оси цифровой ПЗС-камеры, с возможностью управляемого вращения с точной установкой соответствующего светофильтра перед приемником цифровой ПЗС-камеры, отличающийся тем, что многоканальный модуль спектрозональной съемки выполнен четырехканальным и дополнительно содержит контроллер управления шаговыми двигателями, связанный посредством соответствующего устройства управления шаговым двигателем с каждым шаговым двигателем и посредством блока управления - со спектрорадиометром с матричным приемником излучения, светофильтры выполнены в виде узкополосных интерференционных светофильтров, размещенных по меньшей мере по четыре на каждой турели, при этом каждый канал модуля спектрозональной съемки связан с отдельным контроллером управления платой захвата изображения блока управления, а спектрорадиометр связан с контроллером шаговых двигателей с возможностью автоматического выбора и управления комбинацией светофильтров и значений экспозиций цифровых ПЗС-камер по результатам измерения и анализа спектров отражения заданного участка съемки.
2. 2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что контроллер управления шаговым двигателем выполнен с возможностью управления шаговым двигателем каждой турели в автоматическом или ручном режиме.
3. 3. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что спектрорадиометр выполнен с возможностью автоматического выбора и управления экспозицией каждой цифровой ПЗС-камеры по результатам регистрации спектра отражения снимаемого объекта, пересчета дискретов аналого-цифрового преобразования (АЦП) в спектральную плотность энергетической яркости (СПЭЯ) и анализа спектральной сигнатуры с учетом различной спектральной ширины светофильтров, освещенности подстилающих поверхностей и кривой спектральной чувствительности фотоприемных матриц цифровых ПЗС-камер.