RU2597144C1 - Method for remote earth probing - Google Patents
Method for remote earth probing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2597144C1 RU2597144C1 RU2015129353/28A RU2015129353A RU2597144C1 RU 2597144 C1 RU2597144 C1 RU 2597144C1 RU 2015129353/28 A RU2015129353/28 A RU 2015129353/28A RU 2015129353 A RU2015129353 A RU 2015129353A RU 2597144 C1 RU2597144 C1 RU 2597144C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- earth
- image
- remote sensing
- images
- wavefront
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Заявляемое изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для оперативного получения качественных (высокого разрешения) изображений зондируемых участков земной поверхности, наблюдаемых из Космоса через турбулентную атмосферу.The claimed invention relates to the field of optical instrumentation and is intended to promptly obtain high-quality (high resolution) images of probed sections of the earth's surface observed from outer space through a turbulent atmosphere.
Известны способы дистанционного зондирования Земли, реализованные в Российском спутнике ДЗЗ «Ресурс-ДК1», описанном в статье Г. Петри «Российский спутник «Ресурс-ДК1»: альтернативный источник данных сверхвысокого разрешения», (Геоматика, № 4, 2010 г.,
стр. 38÷42[1]), находящемся на орбите с 15 июня 2006 года, и в недавно запущенном (26 июня 2013 года) российском спутнике «Ресурс-П», описанном в статье А.Н. Кирилина и др. «Космический аппарат «Ресурс-П», (Геоматика, № 4, 2010 г., стр. 23 ÷ 26).Known methods for remote sensing of the Earth, implemented in the Russian satellite Remote Sensing "Resource-DK1" described in the article by G. Petri "Russian satellite" Resource-DK1: an alternative source of ultra-high resolution data ", (Geomatics, No. 4, 2010,
p. 38 ÷ 42 [1]), which has been in orbit since June 15, 2006, and in the recently launched (June 26, 2013) Russian satellite “Resource-P”, described in the article by A.N. Kirilin et al. “Resurs-P spacecraft,” (Geomatics, No. 4, 2010, pp. 23–26).
Эти способы дистанционного зондирования Земли основаны на формировании оптического изображения зондируемого участка земной поверхности, подсвеченного излучением Солнца () и наблюдаемого из Космоса через турбулентную атмосферу, спектральной фильтрации и квадратичном детектировании сформированного изображения, его длинно-экспозиционной регистрации и передаче на Землю по радиолинии для последующей цифровой обработки и тематического анализа.These methods of remote sensing of the Earth are based on the formation of an optical image of the probed portion of the earth’s surface, illuminated by the radiation of the Sun ( ) and observed from outer space through a turbulent atmosphere, spectral filtering and quadratic detection of the formed image, its long-exposure registration and transmission to the Earth via a radio line for subsequent digital processing and thematic analysis.
Недостатками этих способов, рассматриваемых здесь в качестве аналогов предлагаемого способа, является то, что в них не учитывается и не корректируется влияние турбулентности атмосферы, что ведет к ограничению достижимого в них разрешения.The disadvantages of these methods, considered here as analogues of the proposed method, is that they do not take into account and correct the effect of atmospheric turbulence, which leads to a limitation of the resolution attainable in them.
Так, наличие в них полосы спектральной фильтрации ∆λ ≈ 1000 A0 приводит к частотному усреднению атмосферных флуктуаций светового излучения в формируемом изображении, а используемая в них при детектировании технология ВЗН (временной задержки и накопления) приводит к детектированию и регистрации длинно-экспозиционного изображения, усредненного по атмосферным искажениям. Отмеченные частотное и временное усреднение атмосферных флуктуаций в формируемом и детектируемом изображении ограничивают разрешение зондируемого участка Земной поверхности в телескопе рефракторе с диаметром апертуры D = 0,5 м величиной порядка ~ 1 м.Thus, the presence of a spectral filtering band Δλ ≈ 1000 A 0 in them leads to the frequency averaging of atmospheric fluctuations of light radiation in the generated image, and the WZN technology (time delay and accumulation) used in them leads to the detection and recording of long-exposure images, averaged over atmospheric distortion. The noted frequency and time averaging of atmospheric fluctuations in the generated and detected image limits the resolution of the probed portion of the Earth’s surface in a refractor telescope with an aperture diameter D = 0.5 m of the order of ~ 1 m.
Известны способы дистанционного зондирования Земли из Космоса, реализованные в зарубежных спутниках дистанционного зондирования, таких, как QuickBird, WorldView 1 и 2 и GeoEye-1 производства США, описанных в статье В.В. Лаврова «Космические съёмочные системы сверхвысокого разрешения», (см. Геоинформационный портал ГИС-Ассоциации, № 2, 2010 г.[3]).Эти космические аппараты ДЗЗ, как и российские, основаны на получении длинно-экспозиционного изображения зондируемого участка земной поверхности и его последующей тематической обработке без учёта и компенсации влияния турбулентности атмосферы. Здесь, как и в упомянутых выше российских способах дистанционного зондирования Земли, при реализации технологии временной задержки и накоплении (TDI) регистрируют длинно-экспозиционные изображения.Known methods for remote sensing of the Earth from Space, implemented in foreign remote sensing satellites, such as QuickBird, WorldView 1 and 2 and GeoEye-1 manufactured in the USA, described in the article by V.V. Lavrova “Space-based filming systems of super-high resolution”, (see GIS-Association Geoinformation portal, No. 2, 2010 [3]). These remote sensing spacecraft, like the Russian ones, are based on obtaining a long-exposure image of the probed area of the earth’s surface and its subsequent thematic processing without taking into account and compensating for the effect of atmospheric turbulence. Here, as in the aforementioned Russian methods of remote sensing of the Earth, long exposure images are recorded when implementing the technology of time delay and accumulation (TDI).
Отличием данных способов ДЗЗ от российских является использование зеркальной оптики для формирования изображения вместо линзовой и увеличение размеров формирующей оптики до диаметра апертуры D = 1,1 м. Это позволило увеличить качество изображений зондируемого участка земной поверхности уменьшением пространственного элемента разрешения: в QuickBird до 0,6 м, в WorldView до 0,5 м и в GeoEye-1 до 0,4 м. Эти способы также рассматриваются здесь в качестве аналогов.The difference between these remote sensing methods from Russian is the use of mirror optics to form an image instead of a lens and increasing the size of the forming optics to an aperture diameter of D = 1.1 m. This allowed us to increase the image quality of the probed area of the earth’s surface by reducing the spatial resolution element: in QuickBird to 0.6 m, in WorldView up to 0.5 m and in GeoEye-1 up to 0.4 m. These methods are also considered here as analogues.
В качестве прототипа предлагаемого способа нами взят «Способ дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ)»[4],описанный патенте Российской Федерации № 2531024 от 20.08.2014 года. Патентообладатель - ОАО «Российские космические системы», автор К.Н. Свиридов. As a prototype of the proposed method, we took the "Remote Sensing Method of the Earth (Remote Sensing)" [4], described by the patent of the Russian Federation No. 2531024 from 08.20.2014. Patent holder - Russian Space Systems OJSC, author K.N. Sviridov.
В этом способе, в отличие от аналогов, учитывается влияние турбулентной атмосферы на изображения ДЗЗ, его компенсация осуществляется алгоритмически при совместном использовании длинно-экспозиционного изображения ДЗЗ и серии из N спектрально-фильтруемых коротко-экспозиционных изображений, независимых друг от друга по атмосферным искажениям.In this method, unlike analogs, the effect of a turbulent atmosphere on remote sensing images is taken into account, its compensation is carried out algorithmically by using a long-exposure remote sensing image and a series of N spectrally-filtered short-exposure images that are independent of each other by atmospheric distortions.
Предложенная в прототипе последовательность операций позволяет повысить качество (разрешение) среднего коротко-экспозиционного изображения зондируемого участка Земной поверхности по сравнению со средним длинно-экспозиционным изображением аналогов. Предложенная в прототипе технология получения изображений высокого разрешения является длительной, вследствие учета инерционности квадратичного детектора и применения стратегии «выборочного» кадра для получения независимых коротко-экспозиционных изображений в серии, а статистическая обработка коротко-экспозиционных изображений в изопланатичных областях также требует существенных временных затрат, кроме того ограниченная требуемым отсутствием частотного усреднения атмосферных искажений узкая полоса спектральной фильтрации ∆λ ∆λА= (∆λ≈250 A0) ограничивает энергетику изображений ДЗЗ, восстанавливаемых с высоким разрешением.The sequence of operations proposed in the prototype allows to improve the quality (resolution) of the average short-exposure image of the probed portion of the Earth's surface in comparison with the average long-exposure image of analogues. The technology for obtaining high-resolution images proposed in the prototype is lengthy, due to the inertia of the quadratic detector and the application of the “selective” frame strategy to obtain independent short-exposure images in a series, and the statistical processing of short-exposure images in isoplanatic regions also requires significant time costs, except Moreover, limited by the required absence of frequency averaging of atmospheric distortions, the narrow spectral filtering band ∆ A = Δλ (∆λ≈250 A 0 ) limits the energy of remote sensing images reconstructed with high resolution.
Повышение качества длинно-экспозиционных изображений ДЗЗ при увеличении размеров приемной аппаратуры D телескопа, формирующего изображение в зарубежных космических аппаратах (D = 1,1 м) по сравнению с отечественными (D = 0,5м) легко объясняется работой средств ДЗЗ в ближней зоне (зоне Френеля) при распространении от каждой точки зондируемого участка земной поверхности расходящейся сферической волны отраженного солнечного излучения подсвета.The improvement in the quality of long-exposure images of remote sensing with an increase in the size of the receiving equipment D of the telescope forming the image in foreign spacecraft (D = 1.1 m) compared to domestic (D = 0.5 m) is easily explained by the work of remote sensing in the near zone (zone Fresnel) when a diverging spherical wave of reflected backlight radiation propagates from each point of the probed portion of the earth's surface.
На Фиг. 1 представлена геометрия распространения сферической волны от земной поверхности к телескопу ДЗЗ через турбулентную атмосферу. Отсюда видно, что при распространении сферической волны от земной поверхности к космическому аппарату ДЗЗ на высоту H все пространственные характеристики сферической волны, включая искажения, приобретенные ею в турбулентной атмосфере (нижние L = 10 км, у земной поверхности) будут увеличиваться по мере ее распространения до высоты H и могут оказаться существенно большими размеров апертуры D телескопа ДЗЗ.In FIG. Figure 1 shows the geometry of the propagation of a spherical wave from the earth's surface to an ERS telescope through a turbulent atmosphere. This shows that when a spherical wave propagates from the Earth’s surface to an ERS spacecraft to a height H, all spatial characteristics of the spherical wave, including the distortions acquired by it in a turbulent atmosphere (lower L = 10 km, near the Earth’s surface) will increase as it propagates to heights H and can turn out to be significantly larger than the aperture D of the remote sensing telescope.
Действительно, это подтверждает проведенные нами исследования (см., например, К.Н. Свиридов «О предельном разрешении аэрокосмических систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ)», в научно-техническом журнале «Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы» Том 1, выпуск 1, 2014 г., с 34-40)[5].Indeed, this is confirmed by our studies (see, for example, K.N. Sviridov “On the Ultimate Resolution of Aerospace Remote Sensing Earth Systems (ERS)” in the scientific and technical journal “Rocket and Space Instrumentation and Information Systems”
Согласно [5] величина пространственного радиуса корреляции атмосферных флуктуаций r0(H) увеличивается с высотой H до космического аппарата ДЗЗ и определяется как According to [5], the magnitude of radius of the spatial fluctuations of atmospheric correlation r 0 ( H) increases with height H to the remote sensing spacecraft and is defined as
r0(,H)≈, (1)r 0 ( , H) ≈ , (one)
где =0,1 м на границе турбулентного слоя L = 10 км. При этом на высоте H величина r0(,H) оказывается большей величины апертуры D. При этом атмосферные искажения волнового фронта на приемной апертуре телескопа ДЗЗ (Рис.1) представлены только случайными наклонами волнового фронта, вызывающими случайные сдвиги изображения ДЗЗ в процессе его длинно-экспозиционной регистрации. Это соображение и лежит в основе предлагаемого здесь способа.Where = 0.1 m at the boundary of the turbulent layer L = 10 km. Moreover, at a height H, the quantity r 0 ( , H) it turns out that the aperture D is larger. At the same time, the atmospheric distortions of the wavefront at the receiving aperture of the remote sensing telescope (Fig. 1) are represented only by random tilts of the wavefront, which cause random shifts of the image of the remote sensing during its long-exposure registration. This consideration underlies the method proposed here.
Предлагаемый способ дистанционного зондирования Земли, в отличие от прототипа, основан не на алгоритмическом, а на аппаратурном решении проблемы достижения высокого качества (разрешения) изображений ДЗЗ.The proposed method for remote sensing of the Earth, in contrast to the prototype, is based not on an algorithmic, but on a hardware solution to the problem of achieving high quality (resolution) of remote sensing images.
Техническим результатом заявляемого способа дистанционного зондирования Земли является ускорение процесса компенсации атмосферных искажений для достижения высокого разрешения изображений ДЗЗ.The technical result of the proposed method for remote sensing of the Earth is to accelerate the process of compensating for atmospheric distortions to achieve high resolution images of remote sensing.
Технический результат достигается тем, что коллимируют принимаемый телескопом поток светового излучения Солнца (), отраженного от зондируемого участка земной поверхности, и разделяют его на два пучка равной интенсивности, по одному из которых осуществляют преддетекторную адаптивную компенсацию случайных наклонов волнового фронта, обусловленных турбулентной атмосферой, а по другому пучку осуществляют накопление адаптивно стабилизированных коротко-экспозиционных изображений, для чего по первому пучку измеряют величину и направление случайных наклонов волнового фронта и адаптивно компенсируют их в принимаемом потоке светового излучения за время τКЭ, меньшее интервала временной корреляции атмосферных флуктуаций τA, (так называемого времени «замороженности» турбулентностей атмосферы), одновременно по второму пучку осуществляют спектральную фильтрацию адаптивно скорректированного по первому пучку принимаемого светового излучения в полосе ∆λ=/ θ*,D (где θ*,D- среднеквадратичное отклонение атмосферных флуктуаций фазы θ волнового фронта светового излучения на приемной апертуре D при наличии адаптивной компенсации случайных наклонов волнового фронта) и, фокусируя его, формируют адаптивно стабилизированные коротко-экспозиционные изображения ДЗЗ, накапливают их при квадратичном детектировании за время регистрации τЭ большее интервала временной корреляции атмосферных флуктуаций τА, и регистрируют среднее коротко-экспозиционное изображение, которое передают на Землю, где его пространственно фильтруют и восстанавливают изображение зондируемого участка земной поверхности, обладающее высоким разрешением.The technical result is achieved by collimating the solar light flux received by the telescope ( ) reflected from the probed portion of the earth’s surface and divide it into two beams of equal intensity, one of which carries out pre-detector adaptive compensation of random wavefront tilts caused by the turbulent atmosphere, and the other beam carries out the accumulation of adaptively stabilized short-exposure images, for which the first beam measures the magnitude and direction of random tilts of the wavefront and adaptively compensate them in the received stream of light radiation over time I τ TBE minimal interval time atmospheric fluctuations correlation τ A, (the so-called time "frozen" atmospheric turbulence), while the second beam is carried out spectral filtering is adaptively adjusted by the first beam received in the light emission band Δλ = / θ * , D (where θ * , D is the standard deviation of atmospheric fluctuations of the phase θ of the wavefront of light radiation at the receiving aperture D in the presence of adaptive compensation for random slopes of the wavefront) and, focusing it, form adaptively stabilized short-exposure images of remote sensing, accumulate them during quadratic detection during registration τ E larger correlation time interval τ A of atmospheric fluctuation is detected and the average short-exposure image that is transmitted to Earth, where its space Twain filtered and reduced image of the probed part of the earth surface, having a high resolution.
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее:The features and essence of the claimed invention are explained in the following detailed description, illustrated by drawings, which shows the following:
На Фиг. 2 представлен вариант схемы реализации заявленного способа, на котором изображено: In FIG. 2 presents a variant of the implementation scheme of the claimed method, which shows:
Фиг. 2а - структурная схема канала адаптивного формирования изображений ДЗЗ, где:FIG. 2a is a block diagram of an adaptive remote sensing imaging channel, where:
1 - зеркальный телескоп космического аппарата ДЗЗ;1 - a mirror telescope of a remote sensing spacecraft;
2 - коллимирующая оптика;2 - collimating optics;
3 - плоское адаптивное качающееся зеркало - компенсатор случайных наклонов волнового фронта;3 - flat adaptive oscillating mirror - compensator for random tilts of the wavefront;
4 - полупрозрачное светоделительное зеркало;4 - translucent beam splitting mirror;
5 - детектор случайных наклонов волнового фронта - сдвиговый интерферометр;5 - detector of random tilts of the wavefront — shear interferometer;
6 - блок адаптивного управления качающимся зеркалом;6 - block adaptive control swinging mirror;
7 - светофильтры;7 - light filters;
8 - фокусирующая оптика;8 - focusing optics;
9 - фокальная плоскость изображения;9 - the focal plane of the image;
Фиг. 2б - структурная схема канала детектирования и регистрации изображений ДЗЗ, где:FIG. 2b is a structural diagram of a channel for detecting and recording remote sensing images, where:
10 - электромеханический затвор;10 - electromechanical shutter;
11 - усилитель яркости изображения;11 - image intensifier;
12 - оптика переноса;12 - transfer optics;
13 - квадратичный панорамный детектор;13 - quadratic panoramic detector;
14 - цифровая система обработки видеосигнала;14 - digital video processing system;
15 - бортовой компьютер;15 - on-board computer;
16 - кодирующее устройство;16 - encoding device;
17 - бортовая РЛС;17 - airborne radar;
Фиг. 2в - структурная схема канала обработки изображений ДЗЗ, где:FIG. 2c is a structural diagram of a remote sensing image processing channel, where:
18 - наземная РЛС;18 - ground radar;
19 - декодирующее устройство;19 - decoding device;
20 - вычислительные средства;20 - computing means;
21 - программное обеспечение;21 - software;
22 - алгоритмическое обеспечение обработки изображений ДЗЗ;22 - algorithmic support for the processing of remote sensing images;
23 - АРМ оператора;23 - operator workstation;
24 - потребители изображений ДЗЗ высокого разрешения.24 - consumers of high resolution remote sensing images.
На Фиг. 3 представлена зависимость нормированного разрешения R/Rmaxот нормированного диаметра телескопа D/r0 для среднего длинно-экспозиционного RD-Э/Rmax и среднего коротко-экспозиционного изображения RК-Э/Rmax [4].In FIG. 3 shows the dependence of the normalized resolution R / R max on the normalized diameter of the telescope D / r 0 for the average long-exposure R D-E / R max and the average short-exposure image R K-E / R max [4].
При этом следует отметить, что канал формирования изображений ДЗЗ и канал детектирования и регистрации изображений ДЗЗ находятся на борту космического аппарата ДЗЗ, а канал обработки изображений ДЗЗ находится на Земле и связан с ними по радиолинии.It should be noted that the remote sensing imaging channel and the remote sensing image detection and registration channel are located onboard the remote sensing spacecraft, and the remote sensing image processing channel is located on Earth and is connected to them via a radio link.
Рассмотрим реализацию предлагаемого способа в соответствии, со схемой, представленной на Фиг. 2.Consider the implementation of the proposed method in accordance with the circuit shown in FIG. 2.
Телескоп космического аппарата ДЗЗ - 1 осуществляет прием светового излучения Солнца, отраженного от зондируемого участка земной поверхности, и формирует искаженное атмосферой изображение зондируемого участка земной поверхности, наблюдаемого из космоса через турбулентную атмосферу.The telescope of the DZZ-1 spacecraft receives light from the sun reflected from the probed portion of the earth’s surface and forms a distorted image of the probed portion of the earth’s surface observed from space through the turbulent atmosphere.
Коллимирующая оптика -2 создает параллельный пучок принимаемого светового излучения, необходимый для правильной работы последующих оптических элементов.The collimating optics -2 creates a parallel beam of received light radiation necessary for the proper operation of subsequent optical elements.
3 - адаптивное плоское зеркало, осуществляющее компенсацию случайных наклонов волнового фронта принимаемого светового излучения;3 - adaptive flat mirror, compensating for random tilts of the wavefront of the received light radiation;
4 - светоделительное зеркало, разделяющее принимаемое световое излучение на два пучка равной интенсивности.4 - a beam splitting mirror dividing the received light radiation into two beams of equal intensity.
По первому пучку в детекторе случайных наклонов волнового фронта - сдвиговом интерферометре - 5 измеряют величину и направление случайных наклонов волнового фронта и с помощью блока управления - 6 по информации полученной с интерферометра 5, управляемыми наклонами адаптивного плоского зеркала 3 компенсируют случайные наклоны волнового фронта принимаемого светового излучения за время τК-Э меньшее интервала временной корреляции атмосферных флуктуаций τА. В соответствии с проведенными исследованиями (см., например, К.Н. Свиридов «Технологии достижения высокого углового разрешения оптических систем атмосферного видения» издание «Знание» М. 2005 г.) [6], величина τА изменяется в широких пределах τА= (1÷100)мсек и имеет минимальные значения τАmin=1 мсек. Учитывая это необходимо осуществлять адаптивную компенсацию случайных наклонов волнового фронта за время τК-Э ≤ τА=1 мсек. Далее пучок 2 с адаптивно скорректированным волновым фронтом спектрально фильтруют турелью со светофильтрами 7. При этом полоса частот спектральной фильтрации ∆λ выбирается исходя из величины среднеквадратичного отклонения θ,D атмосферных искажений фазы θ волнового фронта светового излучения и определяется выражениемUsing the first beam in the detector of random tilts of the wavefront — the shear interferometer — 5 measure the magnitude and direction of the random tilts of the wavefront and, using the control unit — 6, according to information received from the
∆λ=/ θ,D (2)Δλ = / θ, D (2)
(см. например, К.Н. Свиридов и др. «Статическая оценка спектральной полосы метода пятенной интерферометрии» Оптика и спектроскопия, т. 54, вып. 5, стр. 890, 1983 г.) [7]. (see, for example, KN Sviridov et al. “Static Evaluation of the Spectral Band of the Spot Interferometry Method” Optics and Spectroscopy, vol. 54,
Наличие спектральной фильтрации в указанной полосе обеспечивает когерентность атмосферных фазовых флуктуаций в принимаемом световом излучении.The presence of spectral filtering in this band ensures the coherence of atmospheric phase fluctuations in the received light radiation.
При отсутствии адаптивной компенсации случайных наклонов волнового фронта (в прототипе) величина среднеквадратичного отклонения θ,D атмосферных искажений фазы волнового фронта определяется в радианах как [6]In the absence of adaptive compensation for random slopes of the wavefront (in the prototype), the standard deviation θ, D of atmospheric distortions of the wavefront phase is defined in radians as [6]
θ,D= 2π 0,16 ( 5/6[рад] (3) θ, D = 2π 0.16 ( 5/6 [rad] (3)
и имеет максимальное значение порядка 20 радиан. При этом требуемая величина спектральной фильтрации в прототипе при А0 равняется величине ∆λ ≤ 250 A0.and has a maximum value of the order of 20 radians. In this case, the required value of spectral filtering in the prototype when And 0 is equal to ∆λ ≤ 250 A 0 .
При адаптивной компенсации случайных наклонов волнового фронта величина θ*,D уменьшается и определяется выражениемWith adaptive compensation of random wavefront tilts, the quantity θ * , D decreases and is determined by the expression
θ*,D = 2π 0,06 ( 5/6[рад] (4) θ * , D = 2π 0.06 ( 5/6 [rad] (4)
При этом допустимая величина спектральной фильтрации в предлагаемом способе увеличивается по сравнению с прототипом в 2,66 раза и оказывается равной ∆λ ≤ 667 А0. Это расширение требуемой полосы спектральной фильтрации в предлагаемом способе позволяет повысить энергетику формируемого изображения.In this case, the permissible value of spectral filtering in the proposed method increases in comparison with the prototype 2.66 times and turns out to be equal to Δλ ≤ 667 A 0 . This extension of the required spectral filtering band in the proposed method allows to increase the energy of the formed image.
Фокусирующая оптика 8 формирует отфильтрованные и адаптивно стабилизированные, путем компенсации случайных наклонов, коротко-экспозиционные изображения зондируемого участка земной поверхности в фокальную плоскость 9, содержащую затвор 10 канала детектирования и регистрации изображений ДЗЗ.Focusing
Электромеханический затвор 10, синхронизированный с частотой кадров квадратичного панорамного детектора 13, обеспечивает требуемое время накопления адаптивно стабилизированных коротко-экспозиционных изображений для получения среднего коротко-экспозиционного изображения.The
Усилитель яркости изображения 11 должен обеспечивать работу квадратичного детектора 13 в квантово-ограниченном режиме, когда квантовые шумы преобладают над другими шумами процесса детектирования. В качестве усилителя яркости изображения на борту космического аппарата целесообразно использовать микроканальные пластины (МКП), которые обладают меньшим весом и габаритами, чем электронно-оптические преобразователи (ЭОП).The brightness amplifier of the image 11 should ensure the operation of the
Оптика переноса 12 проецирует изображение объекта с выхода усилителя яркости изображения 11 на вход квадратичного панорамного детектора 13 без изменения ракурса. В качестве оптики переноса можно использовать, например набор линз или волоконную оптику, обладающую меньшими потерями света при передаче изображения.The
Квадратичный панорамный детектор 13 (например, ПЗС матрица) предназначен для квадратичного детектирования адаптивно стабилизированных коротко-экспозиционных изображений и их накопления при регистрации для получения среднего коротко-экспозиционного изображения ДЗЗ.A quadratic panoramic detector 13 (for example, a CCD) is designed for quadratic detection of adaptively stabilized short-exposure images and their accumulation during registration to obtain an average short-exposure remote sensing image.
В предлагаемом способе, в отличии от прототипа, для получения среднего коротко-экспозиционного изображения не используется технология «выборочного» кадра, формировавшая коротко-экспозиционные изображения 14, независимые друг от друга по атмосферным искажениям, и устранявшая влияние инерционности квадратичного детектора. В предлагаемом способе для накопления адаптивного стабилизированных коротко-экспозиционных изображений используется технология детектирования и накопления каждого кадра.In the proposed method, in contrast to the prototype, the technology of "selective" frame is not used to obtain an average short-exposure image, which formed short-exposure images 14, independent of each other by atmospheric distortion, and eliminating the influence of inertia of the quadratic detector. In the proposed method for the accumulation of adaptive stabilized short-exposure images, the technology of detection and accumulation of each frame is used.
При этом выигрыш во времени получения каждого коротко-экспозиционного изображения здесь при времени одного кадра τК-Э равен промежутку τп=7·τК между формируемыми в прототипе независимыми коротко-экспозиционными изображениями.In this case, the gain in time of obtaining each short-exposure image here for a single frame time τ K-E is equal to the interval τ p = 7 · τ K between the independent short-exposure images formed in the prototype.
Этот выигрыш во времени получения среднего коротко-экспозиционного изображения ДЗЗ в предлагаемом способе по сравнению с прототипом оказывается еще больше, так как в предлагаемом способе отсутствует необходимость трудоемкой последетекторной обработки независимых коротко-экспозиционных изображений в их изопланатичных областях.This gain in time of obtaining the average short-exposure remote sensing image in the proposed method compared with the prototype is even greater, since in the proposed method there is no need for time-consuming post-detector processing of independent short-exposure images in their isoplanatic areas.
Цифровая система обработки видеосигнала 14 предназначена для оцифровки среднего коротко-экспозиционного изображения, поступающего с квадратичного детектора 13. Оцифрованные в системе обработки видеосигналов 14 видеосигналы с квадратичного детектора 13 записываются в цифровую память бортового компьютера 15.The digital video processing system 14 is designed to digitize the average short-exposure image coming from the
Далее оцифрованные средние коротко-экспозиционные изображения из памяти компьютера 15 поступают в кодирующее устройство 16 и с помощью РЛС - 17 по радиолинии передаются на Землю для последующей обработки.Next, the digitized average short-exposure images from the
Обработка средних коротко-экспозиционных изображений зондируемого участка земной поверхности, полученных на борту космического аппарата ДЗЗ в соответствии с Фиг. 2а и Фиг. 2б и переданных по радиолинии на Землю, осуществляется по схеме, представленной на Фиг. 2в.Processing average short-exposure images of the probed portion of the earth’s surface obtained on board the remote sensing spacecraft in accordance with FIG. 2a and FIG. 2b and transmitted over the radio link to the Earth, carried out according to the scheme shown in FIG. 2c.
Наземная РЛС 18 принимает по радиолинии информацию с бортовой РЛС 17.The ground-based
Декодирующее устройство 19 преобразует сигналы от наземной РЛС 18 к виду, удобному для записи в память вычислительных средств 20.The decoding device 19 converts the signals from the
Вычислительные средства 20 предназначены для реализации алгоритма обработки средних коротко-экспозиционных изображений ДЗЗ 22.
Программное обеспечение (ПО) 21 вычислительных средств 20, предназначено для организации процесса работы вычислительных средств 20 по реализации алгоритма обработки изображений ДЗЗ 22.Software (software) 21
Алгоритмическое обеспечение 22 обработки средних коротко-экспозиционных изображений ДЗЗ представляет последовательность операций над зарегистрированным средним коротко-экспозиционным изображением, обеспечивающих достижение поставленной цели - повышения качества (разрешения) обрабатываемых изображений зондируемого участка земной поверхности.
АРМ оператора 23предназначено для контроля процесса обработки и анализа качества (разрешения) обрабатываемых изображений в процессе реализации алгоритма обработки изображений ДЗЗ 22.AWP of the
В соответствии с предлагаемым здесь алгоритмом обработки средних коротко-экспозиционных изображений осуществляют следующую последовательность операций:In accordance with the algorithm for processing medium short exposure images proposed here, the following sequence of operations is performed:
1) преобразуют зарегистрированное среднее коротко-экспозиционное изображение ДЗЗ по Фурье в область пространственного спектра1) transform the recorded average short-exposure remote sensing image according to Fourier into the region of the spatial spectrum
d = <(>к-э (5) d = < ( > ke (5)
2) пространственно фильтруют спектр сформированного среднего коротко-экспозиционного изображения средней коротко-экспозиционной оптической передаточной функцией системы атмосфера-телескоп;2) spatially filter the spectrum of the formed medium short-exposure image of the average short-exposure optical transfer function of the atmosphere-telescope system;
<(>к-э· = <( (6)< ( > k-e = < ( (6)
3) при обратном п. 1) Фурье преобразовании от фильтрованного пространственного спектра п. 2) восстанавливают изображение зондируемого участка земной поверхности, свободное от влияния турбулентности атмосферы и обладающее высоким разрешением.3) with the opposite of item 1) Fourier transform from the filtered spatial spectrum of item 2) restore the image of the probed portion of the earth's surface, free from the influence of atmospheric turbulence and having high resolution.
(d = (7) ( d = (7)
Предлагаемый здесь алгоритм обработки изображений 22 представляет собой три последних операции алгоритма обработки изображений 18 в прототипе. Эти три операции представляют одну третью часть из девяти операций, осуществляющих обработку изображений в прототипе, и, хотя операции являются различными по сложности и времени выполнения, можно условно считать, что в предлагаемом здесь способе обработка будет осуществляться в три раза быстрее, чем в прототипе.The image processing algorithm proposed here 22 is the last three operations of the
Математическое обоснование предлагаемого способа ДЗЗ аналогично математическому обоснованию прототипа[4], в результате которого получены аналитические зависимости и построены графики (Фиг. 3) зависимости нормированного разрешения R/Rmax от нормированного диаметра телескопа D/r0 для среднего длинно-экспозиционного изображения RD-Э/Rmax (система ДЗЗ без компенсации атмосферных искажений) и среднего коротко-экспозиционного изображения RК-Э/Rmax(система ДЗЗ с адаптивной компенсацией случайных наклонов волнового фронта). Аналитически зависимость для среднего коротко-экспозиционного изображения([4] формула(19) получена путем устранения при усреднении мгновенного наклона волнового фронта. Это соответствует предложенной здесь процедуре адаптивной преддетекторной компенсации случайных наклонов волнового фронта, что свидетельствует о достижении высокого разрешения в предлагаемом способе за существенно меньшее время, чем в прототипе.The mathematical justification of the proposed method ERS similar mathematical basis prototype [4], in which the analytical function and the graphs (Fig. 3) depending on the normalized resolution R / R max of the normalized diameter telescope D / r 0 for the average long-exposure image R D -E / R max (remote sensing system without atmospheric distortion compensation) and the average short-exposure image R К-Э / R max (remote sensing system with adaptive compensation for random wavefront tilts). Analytically, the dependence for the average short-exposure image ([4] formula (19) was obtained by eliminating the instantaneous wavefront slope by averaging. This corresponds to the adaptive pre-detector compensation of random wavefront slopes proposed here, which indicates that a high resolution is achieved in the proposed method for significantly less time than in the prototype.
Действительно, адаптивная компенсация случайных наклонов волнового фронта и получение среднего коротко-экспозиционного изображения при накоплении адаптивно стабилизированных мгновенных изображений, используя стратегию детектирования каждого кадра, в отличие от стратегии «выборочного» кадра в прототипе, позволяет сократить время получения среднего коротко-экспозиционного изображения по сравнению с прототипом в 7 раз за счет устранения процедуры получения независимых друг от друга по атмосферным искажениям коротко-экспозиционных изображений в каждом восьмом выборочном кадре. При обработке изображений в предлагаемом способе по сравнению с прототипом происходит дополнительное сокращение времени более чем в 3 раза. Таким образом предлагаемый способ получения изображения ДЗЗ высокого разрешения по сравнению с прототипом позволяет ускорить процесс получения качественного изображения ДЗЗ в ~ 21 раз.Indeed, adaptive compensation of random wavefront tilts and obtaining an average short exposure image during accumulation of adaptively stabilized instantaneous images using the detection strategy of each frame, in contrast to the strategy of a “selective” frame in the prototype, can reduce the time to obtain the average short exposure image in comparison with the
Одновременно с этим адаптивная компенсация случайных наклонов волнового фронта уменьшает величину среднеквадратичного отклонения θ*,D атмосферных искажений фазы θ волнового фронта светового излучения в 2,66 раза (0,16/0,06), что позволяет увеличить допустимую величину полосы спектральной фильтрации ∆λ = / θ*,D также в 2,66 раза и расширить ее с величины 250А0 в прототипе до величины ∆λ = 667А0 в предлагаемом способе. Это увеличение полосы спектральной фильтрации позволяет улучшить энергетические характеристики формируемого изображения зондируемого участка земной поверхности.At the same time, adaptive compensation of random wavefront tilts reduces the standard deviation θ * , D of atmospheric distortions of the phase θ of the wavefront of light radiation by 2.66 times (0.16 / 0.06), which allows us to increase the allowable value of the spectral filtering band Δλ = / θ * , D is also 2.66 times and expand it from a value of 250A 0 in the prototype to a value Δλ = 667A 0 in the proposed method. This increase in the spectral filtering band allows to improve the energy characteristics of the generated image of the probed portion of the earth's surface.
Здесь, как и в прототипе, максимальный выигрыш в разрешении по сравнению с аналогами составляет примерно в 8 раз (в 4 раза при преддетекторной адаптивной компенсации случайных наклонов волнового фронта и ещё примерно в 2 раза при последетекторной фильтрации среднего коротко-экспозиционного изображения).Here, as in the prototype, the maximum gain in resolution compared to analogs is about 8 times (4 times for pre-detector adaptive compensation of random wavefront tilts and about 2 times for post-detector filtering of the average short-exposure image).
Основная цель, достигаемая в данном изобретении, - ускорение процесса получения изображений ДЗЗ высокого качества (разрешения) -является чрезвычайно важной в условиях движения КА ДЗЗ с космической скоростью.The main goal achieved in this invention, the acceleration of the process of obtaining high-quality remote sensing images (resolution), is extremely important in the conditions of motion of a spaceborne remote sensing spacecraft.
Источники информацииInformation sources
1. Г.Петри «Российский спутник «Ресурс-ДК1»:альтернативный источник данных сверхвысокого разрешения», Геоматика, №4, 2010, с.38-42, (аналог).1. G. Petry “Russian satellite“ Resource-DK1 ”: an alternative source of ultra-high resolution data”, Geomatika, No. 4, 2010, p. 38-42, (analogue).
2. А.Н.Кирилин и др. «Космический аппарат «Ресурс-П», Геоматика, №4, 2010, с.23-26, (аналог).2. A.N. Kirilin et al. “Resource-P Spacecraft, Geomatics, No. 4, 2010, pp. 23-26, (analogue).
3. В.В.Лавров «Космические съёмочные системы сверхвысокого разрешения» Геоинформационный портал ГИС-Ассоциации, №2, 2010, (аналоги).3. VV Lavrov “Space-based filming systems of ultra-high resolution” Geoinformation portal of the GIS-Association, No. 2, 2010, (analogues).
4. К.Н.Свиридов «Способ дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ)», авторская заявка на изобретение №2013125540 от 03.06.2013, Патент РФ №2531024 от 20.08.2014, патентообладатель ОАО «Российские космические системы», (прототип).4. KN Sviridov “Remote Sensing Method of the Earth (ERS)”, author's application for invention No. 2013125540 dated 06/03/2013, RF Patent No. 2531024 dated 08/20/2014, patent holder of Russian Space Systems OJSC, (prototype).
5. К.Н.Свиридов «О предельном разрешении аэрокосмических систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ)», Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, том 1, вып.1, 2014, с.34-40.5. KN Sviridov “On the Ultimate Resolution of Aerospace Remote Sensing Earth (ERS) Systems”, Rocket and Space Instrument Making and Information Systems,
6. К.Н.Свиридов «Технологии достижения высокого углового разрешения оптических систем атмосферного видения», изд. «Знание», М., 2005.6. KN Sviridov “Technologies for achieving high angular resolution of optical systems for atmospheric vision”, ed. “Knowledge”, M., 2005.
7. К.Н.Свиридов и др. «Статистическая оценка спектральной полосы метода пятенной интерферометрии», Оптика и спектроскопия, т.54, вып.5, с.890, 1983.7. K. N. Sviridov et al. “Statistical estimation of the spectral band of the spot interferometry method”, Optics and Spectroscopy, vol. 54,
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015129353/28A RU2597144C1 (en) | 2015-07-17 | 2015-07-17 | Method for remote earth probing |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015129353/28A RU2597144C1 (en) | 2015-07-17 | 2015-07-17 | Method for remote earth probing |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2597144C1 true RU2597144C1 (en) | 2016-09-10 |
Family
ID=56892771
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015129353/28A RU2597144C1 (en) | 2015-07-17 | 2015-07-17 | Method for remote earth probing |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2597144C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2653100C1 (en) * | 2017-02-09 | 2018-05-07 | Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") | Method for obtaining and processing images of earth's remote sensing deformed by turbulent air |
RU2768541C1 (en) * | 2021-06-17 | 2022-03-24 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук | Method and device with advanced correction in an optical system with closed-loop feedback |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7405834B1 (en) * | 2006-02-15 | 2008-07-29 | Lockheed Martin Corporation | Compensated coherent imaging for improved imaging and directed energy weapons applications |
CN102736128A (en) * | 2011-09-21 | 2012-10-17 | 中国科学院地理科学与资源研究所 | Method and device for processing unmanned plane optical remote sensing image data |
RU2484500C2 (en) * | 2007-10-09 | 2013-06-10 | Данмаркс Текниске Университет | Coherent lidar system based on semiconductor laser and amplifier |
RU2531024C1 (en) * | 2013-06-03 | 2014-10-20 | Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") | Method of remote earth probing (reb) |
-
2015
- 2015-07-17 RU RU2015129353/28A patent/RU2597144C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7405834B1 (en) * | 2006-02-15 | 2008-07-29 | Lockheed Martin Corporation | Compensated coherent imaging for improved imaging and directed energy weapons applications |
RU2484500C2 (en) * | 2007-10-09 | 2013-06-10 | Данмаркс Текниске Университет | Coherent lidar system based on semiconductor laser and amplifier |
CN102736128A (en) * | 2011-09-21 | 2012-10-17 | 中国科学院地理科学与资源研究所 | Method and device for processing unmanned plane optical remote sensing image data |
RU2531024C1 (en) * | 2013-06-03 | 2014-10-20 | Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") | Method of remote earth probing (reb) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2653100C1 (en) * | 2017-02-09 | 2018-05-07 | Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") | Method for obtaining and processing images of earth's remote sensing deformed by turbulent air |
RU2768541C1 (en) * | 2021-06-17 | 2022-03-24 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук | Method and device with advanced correction in an optical system with closed-loop feedback |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
White et al. | Observing the Sun with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA): Fast-scan single-dish mapping | |
Defrere et al. | Nulling data reduction and on-sky performance of the large binocular telescope interferometer | |
EP3043160B1 (en) | Lenslet, beamwalk and tilt diversity for anisoplanatic imaging by large-aperture telescopes | |
US9541635B2 (en) | Laser phase diversity for beam control in phased laser arrays | |
Lane et al. | Differential astrometry of subarcsecond scale binaries at the Palomar Testbed Interferometer | |
US11204424B2 (en) | Method for capturing a 3D scene by means of a LIDAR system and a LIDAR system for this purpose | |
RU2597144C1 (en) | Method for remote earth probing | |
US20180249100A1 (en) | High resolution multi-aperture imaging system | |
US10113908B1 (en) | System and method of optical axis alignment monitor and feedback control for a spectrometer | |
Wang et al. | A fast auto-focusing technique for the long focal lens TDI CCD camera in remote sensing applications | |
Muterspaugh et al. | The phases differential astrometry data archive. I. Measurements and description | |
RU2531024C1 (en) | Method of remote earth probing (reb) | |
Bokalo et al. | Stabilization of astronomic images using a controlled flat mirror | |
US4688086A (en) | Method of imaging a target illuminated through an optically distorting region | |
Crass et al. | The need for single-mode fiber-fed spectrographs | |
Nentvich et al. | Lobster eye X-ray optics: Data processing from two 1D modules | |
Türkmenoğlu et al. | On-orbit modulation transfer function estimation For RASAT | |
Hirschberger et al. | Simulation and high-precision wavelength determination of noisy 2D Fabry–Pérot interferometric rings for direct-detection Doppler lidar and laser spectroscopy | |
McCarthy et al. | Design and operation of an infrared spatial interferometer | |
Finnerty et al. | Characterization of hot Jupiter atmospheres with Keck/KPIC | |
RU2629925C1 (en) | Method of obtaining and processing images of remote earth sensing distorted by turbulent atmosphere | |
Le Bouquin et al. | Post-processing the VLTI fringe-tracking data: first measurements of stars | |
Meyers et al. | Identification and minimization of errors in Doppler global velocimetry measurements | |
Baudoz et al. | First results with the achromatic interfero coronograph | |
Stein et al. | Special Section Guest Editorial: Optics in atmospheric propagation and adaptive systems |