RU2669262C1 - Способ оценки и максимизации предельного инструментального разрешения космического аппарата дистанционного зондирования Земли на местности - Google Patents

Способ оценки и максимизации предельного инструментального разрешения космического аппарата дистанционного зондирования Земли на местности Download PDF

Info

Publication number
RU2669262C1
RU2669262C1 RU2017144878A RU2017144878A RU2669262C1 RU 2669262 C1 RU2669262 C1 RU 2669262C1 RU 2017144878 A RU2017144878 A RU 2017144878A RU 2017144878 A RU2017144878 A RU 2017144878A RU 2669262 C1 RU2669262 C1 RU 2669262C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
remote sensing
resolution
spacecraft
detector
ground
Prior art date
Application number
RU2017144878A
Other languages
English (en)
Inventor
Андрей Евгеньевич Тюлин
Константин Николаевич Свиридов
Original Assignee
Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") filed Critical Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы")
Priority to RU2017144878A priority Critical patent/RU2669262C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2669262C1 publication Critical patent/RU2669262C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B23/00—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices
    • G02B23/12—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices with means for image conversion or intensification
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B37/00—Panoramic or wide-screen photography; Photographing extended surfaces, e.g. for surveying; Photographing internal surfaces, e.g. of pipe

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается способа оценки и максимизации предельного инструментального разрешения аппарата дистанционного зондирования земли (КА ДЗЗ) на местности. Способ включает в себя определение по паспортным данным аппаратуры КА ДЗЗ периода дискретизации цифрового детектора, формирование его проекции на зондируемую земную поверхность как
Figure 00000107
, где 2d - период дискретизации цифрового детектора, F – фокусное расстояние объектива, H- высота КА ДЗЗ над зондируемой земной поверхностью. По полученной величине
Figure 00000108
оценивают предельное инструментальное разрешение космического аппарата дистанционного зондирования земли на местности. Далее по полученной оценке предельного инструментального разрешения согласуют аппаратуру космического аппарата дистанционного зондирования земли по критерию Найквиста для достижения дифракционного предела инструментального разрешения. Технический результат заключается в обеспечении достижения дифракционного предела инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности. 7 ил.

Description
Изобретение относится к области оптического приборостроения и, в частности, к способам определения качества оптико-электронных систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) путем оценки разрешения на местности, обеспечиваемого этими системами.
Известен способ по ГОСТ 2819-84. «Материалы фотографические. Метод определения разрешающей способности» [1], суть которого состоит в том, что с помощью резольвометра и резольвометрической миры получают изображение миры на фотоматериале.
Полученное изображение анализирует специалист-дешифровщик с помощью микроскопа, рассматривая группы штрихов последовательно по мере возрастания частоты, и определяет номер той группы, после которой штрихи уже не разрешаются не менее, чем в двух группах. При этом считают предельно разрешенной ту наивысшую по частоте группу штрихов миры в фотографическом изображении, в которой еще можно отчетливо сосчитать полное число штрихов.
Недостаток этого способа, взятого нами в качестве аналога, состоит в том, что получаемая в нем величина разрешающей способности зависит от квалификации дешифровщика и поэтому является субъективной.
Известен другой способ измерения предела разрешения по ГОСТ 15114-78. «Системы телескопические для оптических приборов [2]. Визуальный метод определения предела разрешения», основанный на формировании изображения штриховой миры, выделении в изображении штриховой миры такого элемента, в котором можно легко различить направление штрихов всех четырех групп, и определении предела разрешения, как наименьшего углового расстояния между серединами двух соседних штрихов штриховой миры.
Недостаток этого способа, взятого нами в качестве второго аналога, также заключается в существенном влиянии субъективного фактора.
На анализе штрихов в изображении штриховой миры основаны также: «Способ измерения разрешения на местности оптико-электронной системы дистанционного зондирования», патент Российской Федерации № 2144654, опубл. 20.01.2000 [3], «Способ измерения предела разрешения информационно-измерительной оптико-электронной системы и штриховая мира», патент Российской Федерации № 2213335, опубл. 27.09.2003[4].
Эти способы, взятые нами в качестве аналогов заявляемого способа, также обладают отмеченными выше недостатками, так как в них для измерения предела разрешения применяют визуальную оценку качества изображения штрихов штриховой миры, что снижает точность измерения из-за присутствия упомянутого выше субъективного фактора, который может значительно меняться от наблюдателя к наблюдателю даже при стандартизированной процедуре испытаний.
Предлагаемый нами способ свободен от отмеченного выше субъективизма аналогов.
В предлагаемом способе по паспортным данным аппаратуры космического аппарата (КА) ДЗЗ оценивается предельное инструментальное разрешение, достижимое КА ДЗЗ на зондируемой земной поверхности с высоты H.
Инструментальное разрешение КА ДЗЗ определяется его аппаратурой, которая включает объектив с диаметром апертуры D и фокусным расстоянием F, а объектив формирует изображение зондируемой земной поверхности на цифровой детектор (например, матрицу прибора зарядовой связи (ПЗС)) с пространственным элементом дискретизации (пикселем), равным d.
Сегодня в качестве оценки предела пространственного разрешения оптико-электронной аппаратуры КА ДЗЗ на местности используют проекцию одного пикселя детектора на зондируемую земную поверхность (Лавров В.В. «Космические съёмочные системы сверхвысокого разрешения», Геоинформационный портал ГИС-Ассоциации, 2010, № 2, с. 19) [5].
Этот предел пространственного разрешения на местности определяется соотношением
Figure 00000001
[м]		 (1)
и взят нами в качестве прототипа предлагаемого способа.
Этот критерий (1) оценки предельного инструментального разрешения оптико-электронной аппаратуры КА ДЗЗ на местности был принят в практике ДЗЗ с появлением цифровых детекторов сначала за рубежом, где он был назван GSD (Ground Sample Distance (GSD) Support, http://support.pix4d.com/he/eu-us/articles/202559809) [6], а впоследствии он был принят и в российской практике ДЗЗ (Хмелевской С.И. Тенденции в развитии цифровых аэрокосмических систем. Критерии сравнения и оценки, Геопрофи, 2011, № 1, с. 11) [7].
Недостатком прототипа является то, что этот критерий (1) (GSD) дает оптимистичную, но ошибочную оценку. Эксперименты по оценке инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности в оптическом и радио диапазонах длин волн свидетельствуют о том, что в действительности размер проекции пикселя на местность (GSD) всегда меньше реального линейного разрешения данных ДЗЗ на местности (Замшин В.В. «Методы определения линейной разрешающей способности оптических и радиолокационных аэрокосмических изображений», Известия ВУЗов, геодезия и аэрофотосъемка, 2014, № 1, с.43) [8].
Сегодня, однако, вопреки результатам экспериментов, в качестве оценки величины предельной разрешающей способности цифровых систем ДЗЗ на местности используют проекцию пикселя детектора на зондируемую земную поверхность GSD (1), то есть на практике имеет место неоправданное отождествление понятий линейной разрешающей способности и размерa проекции пикселя. Есть мнение [8], что такой подход к оценке разрешения КА ДЗЗ на местности критерием (GSD) используется для преднамеренного завышения декларируемых технических характеристик средств ДЗЗ по сравнению с их реальными показателями, чтобы повысить конкурентоспособность продуктов ДЗЗ на потребительском рынке.
Это несоответствие оценок прототипа (GSD) экспериментам стимулировало нас на проведение исследований, результатом которых и является заявляемый способ.
Техническим результатом (целью) заявляемого способа является достижение дифракционного предела разрешения КА ДЗЗ на местности.
Технический результат достигается тем, что по паспортным данным аппаратуры КА ДЗЗ определяют период дискретизации цифрового детектора 2d, формируют его проекцию на зондируемую земную поверхность, как
Figure 00000002
Figure 00000002
[м], и по полученной величине
Figure 00000003
Figure 00000003
(назовем ее «критерий РКС») оценивают предельное инструментальное разрешение КА ДЗЗ на местности, далее определяют дифракционный предел разрешения аппаратуры КА ДЗЗ на местности, как
Figure 00000004
Figure 00000004
[м], и сравнивают его с полученной оценкой предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности
Figure 00000003
Figure 00000003
, для чего формируют их отношение, как
Figure 00000005
Figure 00000005
[раз], и получают величину
Figure 00000006
Figure 00000006
, характеризующую степень рассогласования по критерию Найквиста разрешений объектива и детектора аппаратуры КА ДЗЗ, затем для достижения максимального (дифракционного) разрешения согласуют аппаратуру КА ДЗЗ по критерию Найквиста, для чего определяют величину согласующего элемента разрешения детектора
Figure 00000007
Figure 00000007
, как
Figure 00000008
Figure 00000008
, и уменьшают величину элемента дискретизации детектора в
Figure 00000006
Figure 00000006
раз от величины d до величины
Figure 00000007
Figure 00000007
, при этом предельное инструментальное разрешение КА ДЗЗ на местности оценивается, как
Figure 00000009
Figure 00000009
, и совпадает с дифракционным пределом разрешения
Figure 00000010
Figure 00000010
, обеспечивающим максимизацию предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности, а при отсутствии технической возможности уменьшения величины элемента дискретизации (пикселя) детектора до величины
Figure 00000007
Figure 00000007
, определяют величину согласующего фокусного расстояния объектива
Figure 00000011
Figure 00000011
, как
Figure 00000012
Figure 00000012
, и увеличивают фокусное расстояние объектива в
Figure 00000006
Figure 00000006
раз от величины F до согласующей величины
Figure 00000011
Figure 00000011
, при этом предельное инструментальное разрешение КА ДЗЗ на местности оценивается как
Figure 00000013
Figure 00000013
, и совпадает с дифракционным пределом разрешения
Figure 00000014
Figure 00000014
, обеспечивающим максимизацию предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности.
Признаки и суть заявляемого изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:
- на Фиг. 1 дана иллюстрация выбора цифрового детектора оптико-электронной системы КА ДЗЗ согласованием по критерию Найквиста частоты дискретизации детектора с частотой отсечки объектива;
- на Фиг. 2 дана иллюстрация выбора фокусного расстояния объектива оптико-электронной системы КА ДЗЗ согласованием по критерию Найквиста частоты отсечки объектива с частотой дискретизации цифрового детектора;
- на Фиг. 3 дана иллюстрация возникновения шумовых искажений в спектре дискретизированного изображения из-за рассогласования по критерию Найквиста частоты отсечки объектива с частотой Найквиста детектора (
Figure 00000015
Figure 00000015
≠
Figure 00000016
Figure 00000016
)
(здесь на Фиг. 1-3 ОПФ – оптическая передаточная функция объектива, │ОПФ│ – модуль ОПФ – функция передачи модуляции (ФПМ), а
Figure 00000017
Figure 00000017
пространственная частота в апертуре объектива);
- на Фиг. 4 представлены штриховые миры аналогов [1, 2] заявляемого способа. Здесь на Фиг.
Figure 00000018
Figure 00000018
представлена штриховая мира Ашеулова (аналог [1], ГОСТ 2819-84), а на Фиг.
Figure 00000019
Figure 00000019
представлена штриховая мира Государственного оптического института им. Вавилова (ГОИ) (аналог [2], ГОСТ 15114-78);
- на Фиг. 5 дана иллюстрация получения оценки линейного разрешения на местности по штриховым мирам для фотоизображений аналогов [1, 2] заявляемого способа. Здесь на Фиг.
Figure 00000020
Figure 00000020
представлен элемент штриховой миры с минимальным линейным элементом–штрихом р (темная линия), промежутком между штрихами p (светлая линия) и периодом штриховой миры 2р, характеризующим линейное разрешение в изображении RЛРИ=2р, а на Фиг.
Figure 00000021
Figure 00000021
представлена оценка линейного разрешения на местности RЛРМ=2рH/F, как проекция на Землю линейного разрешения в изображении RЛРИ;
- на Фиг. 6 дана иллюстрация оценки предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности при регистрации цифровых изображений в прототипе [6] и заявляемом способе. Здесь на Фиг.
Figure 00000022
Figure 00000022
показана схема оценки предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности в прототипе
Figure 00000023
Figure 00000023
(GSD), а на Фиг.
Figure 00000024
Figure 00000024
показана схема оценки предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности в заявляемом способе
Figure 00000003
Figure 00000003
(«критерий РКС»);
- на Фиг.7 представлена блок-схема последовательности операций реализации заявляемого способа по оценке и максимизации предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности.
Дадим математическое обоснование заявляемого способа.
Предельное инструментальное разрешение любых средств ДЗЗ зависит от степени согласования по критерию Найквиста (Nyquist) пространственного разрешения объектива с пространственным разрешением детектора (Уэзерелл У. «Оценка качества изображения», гл. 6 в кн. под ред. Р. Шеннона и Дж. Вайанта, «Проектирование оптических систем», М., изд-во Мир, 1983) [9]. Согласно этому критерию, при цифровом детектировании сигналов вводится понятие частоты Найквиста
Figure 00000025
Figure 00000025
, равной половине частоты дискретизации
Figure 00000026
Figure 00000026
, и утверждается, что при дискретизации аналогового сигнала полезную информацию несут только те частоты
Figure 00000027
Figure 00000027
, которые ниже частоты Найквиста
Figure 00000028
Figure 00000028
.
В мировой научно-технической литературе (Гудмен Дж., «Введение в Фурье-оптику», 1970, Изд. Мир, М.) [10] эта теорема отчетов (выборки) носит название теоремы Найквиста-Шеннона (в России – теоремы Котельникова), которая гласит, что если аналоговый сигнал имеет спектр, ограниченный частотой
Figure 00000029
Figure 00000029
, то он может быть однозначно и без потерь восстановлен по своим дискретным отсчетам, взятым с частотой дискретизации
Figure 00000030
Figure 00000030
, где
Figure 00000029
Figure 00000029
– верхняя частота в спектре (временном или пространственном).
Рассмотрим особенности согласования по критерию Найквиста дифракционного разрешения объектива с пространственным разрешением детектора.
Исследование проведем на примере зарубежного КА ДЗЗ сверхвысокого разрешения «WorldView-3» (Кучейко А. «WorldView-3»: коммерческий спутник достиг разрешения 30 см», Новости космонавтики, 2014, № 10, (381), т. 24, с. 23) [11]) с паспортными данными: D = 1,1м, F = 13,3 м, H = 617 км, d = 6,7 мкм, л = 0,55 мкм – средняя длина волны солнечного излучения подсвета зондируемой земной поверхности.
Высшая пространственная частота объектива, присутствующая в формируемом дифракционном изображении, определяется соотношением (2) [12] (Свиридов К.Н., «Атмосферная оптика высокого углового разрешения», т. I - III, 2007, изд. Знание, М.)
Figure 00000031
Figure 00000031
Figure 00000032
Figure 00000032
[лин./мм]		 (2)
и для КА «WorldView-3» при л = 0,55 мкм, D = 1,1 м и F = 13,3 м оказывается равной
Figure 00000033
Figure 00000033
лин./мм.
В соответствии с критерием Найквиста [9] для передачи данной пространственной частоты
Figure 00000034
Figure 00000034
детектором, то есть для согласования разрешения детектора с дифракционным разрешением объектива (2), требуемая высшая пространственная частота дискретизации детектора должна быть равна
Figure 00000035
Figure 00000035
[лин./мм]		 (3)
где К ≥ 2 – частота выборки, то есть по критерию Найквиста на дифракционный элемент разрешения объектива (диск Эри) должны приходиться как минимум два (вдоль линии) дискретных элемента разрешения (пикселя) детектора.
Тогда, при К = 2 получаем, в соответствии с (3), требование к согласованному по Найквисту разрешению выбираемого детектора (Фиг. 1), как
Figure 00000036
Figure 00000036
лин./мм		 (4)
В связи с отсутствием сегодня чувствительных электронных детекторов оптического излучения с таким разрешением (4), соответствующим согласованному пикселю dc =3,33 мкм, необходимо сначала выбрать реально существующий детектор с некоторой пространственной частотой
Figure 00000037
Figure 00000037
и частотой Найквиста
Figure 00000025
Figure 00000025
, а затем необходимо увеличить фокусное расстояние объектива от величины F до некоторой согласующей величины
Figure 00000038
Figure 00000038
, чтобы удовлетворить условию согласования (5)
Figure 00000039
Figure 00000039
[лин./мм],		 (5)
где
Figure 00000040
Figure 00000040
– частота отсечки объектива, согласованного с выбранным детектором.
Для детектора КА «WorldView-3» с пространственным элементом разрешения (пикселем), равным d = 6,7 мкм, и пространственной частотой дискретизации , равной [лин./мм], в соответствии с (5), имеем (Фиг. 2)
Оценим требуемое увеличение канала формирования изображений, обеспечиваемое фотоувеличительной оптикой, вводимой в оптико-механический тракт канала формирования изображений для согласования разрешения объектива с разрешением детектора [12]
Figure 00000041
Figure 00000041
лин./мм.		 (6)
Figure 00000042
Figure 00000042
[раз]		 (7)
Величина
Figure 00000043
Figure 00000043
характеризует степень рассогласования по критерию Найквиста разрешений объектива и детектора, а при их согласовании она равна
Figure 00000044
Figure 00000044
.
Тогда, при
Figure 00000045
Figure 00000045
Figure 00000046
Figure 00000046
и F = 13,3 м, получаем
Figure 00000047
Figure 00000047
, а
Figure 00000048
Figure 00000048
 (8)
Таким образом, получили, что для обеспечения возможности достижения дифракционного разрешения объектива в КА ДЗЗ «WorldView-3» необходимо было увеличить фокусное расстояние канала формирования изображений в
Figure 00000047
Figure 00000047
Figure 00000049
Figure 00000049
F = 13,3 м до
Figure 00000050
Figure 00000050
. Подобное увеличение легко могло быть достигнуто, например, с помощью стандартных микро объективов, давно используемых для этих целей в астрономии. Заметим, что для такого согласования в астрономии разработана специальная фотоувеличительная оптика, обладающая лучшим пропусканием и более широким полем зрения, чем стандартные микрообъективы [13] (Richardson E.H., «Optical design of an image degradation reducing enlarging camera for the prime focus of the CFHT», SPIE, 1983, v. 445, p. 555).
При обеспечении указанного согласования дифракционное пространственное разрешение КА ДЗЗ на местности можно оценить соотношением
Figure 00000051
Figure 00000051
Figure 00000052
Figure 00000052
[м]		 (9)
и при л = 0,55 мкм, Н = 617 км, D = 1,1 м оно оказывается равным
Figure 00000053
 (10)
Дифракционное разрешение устанавливает максимальный предел инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности, который характеризуется минимальной величиной элемента разрешения (10).
В действительности, однако, рассмотренное выше согласование по Найквисту разрешения объектива с разрешением детектора в КА ДЗЗ «WorldView-3» отсутствует, что препятствует достижению дифракционного разрешения (10).
Оценим предельное инструментальное разрешение КА ДЗЗ «WorldView-3», ограниченное существующим рассогласованием по Найквисту.
При существующем фокусном расстоянии канала формирования изображений в КА ДЗЗ «WorldView-3», равном F= 13,3 м, и пространственном элементе разрешения (пикселе) детектора, равном d = 6,7мкм (
Figure 00000054
Figure 00000054
), максимальная пространственная частота объектива, передаваемая детектором без генерации шумов, определяется в соответствии с (5)
Figure 00000055
 (11)
и равна (Фиг. 3)
Figure 00000056
.
Пространственная частота (11) при λ = 0,55 мкм и F = 13,3 м соответствует эквивалентному диаметру апертуры объектива
Figure 00000057
Figure 00000057
, определяемому в соответствии с (2), как
Figure 00000058
 (12)
и равному
Figure 00000059
Figure 00000059
0,545 м.
Оценим, какое предельное инструментальное разрешение на Земле с высоты H = 617 км может быть достигнуто в КА ДЗЗ «WorldView-3» при эквивалентном диаметре апертуры его объектива, равном DЭ = 0,545 м.
В соответствии с (9) при λ = 0,55 мкм имеем
Figure 00000060
 (13)
Итак, получили, что предельное инструментальное разрешение на местности, достижимое в КА ДЗЗ «WorldView-3», равно
Figure 00000061
Figure 00000061
.
Легко видеть, что эта величина, полученная с учетом информационного критерия Найквиста, в 2 раза превышает оценочное разрешение прототипа, получаемое проекцией одного пикселя детектора на зондируемую земную поверхность (GSD) и равное
Figure 00000062
Figure 00000062
, то есть критерий GSD дает дифракционное разрешение (10) в несогласованной по Найквисту аппаратуре, что противоречит физическому смыслу и свидетельствует об ошибочности оценки прототипа.
Полученный результат свидетельствует о том, что предельное инструментальное разрешение систем ДЗЗ на местности необходимо оценивать проекцией на Землю не одного пикселя, а проекцией периода дискретизации детектора, состоящего из двух пикселей (вдоль линии), то есть, как
Figure 00000063
Figure 00000063
м]		 (14)
Эта оценка (14) является основой заявляемого способа.
Оценим предлагаемым критерием
Figure 00000064
Figure 00000064
проекции периода дискретизации детектора на зондируемую земную поверхность предельное инструментальное разрешение на местности для согласованной по критерию Найквиста и несогласованной аппаратуры КА ДЗЗ.
А. Аппаратура согласована по критерию Найквиста
В соответствии с полученными выше данными для согласованной аппаратуры КА ДЗЗ «WorldView-3» имеем: FС = 26,8 м, d = 6,7 мкм, H = 617 км.
Для нее предлагаемая здесь оценка предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности определяется проекцией периода дискретизации детектора 2d на зондируемую земную поверхность, как
Figure 00000065
 (15)
и оказывается равной
Figure 00000066
 (16)
Полученный результат совпадения оценок пространственного разрешения на местности (10) и (16), а именно
Figure 00000067
Figure 00000067
- во-первых, свидетельствует о необходимости осуществления при проектировании оптических систем рассмотренного согласования по Найквисту объектива и детектора КА ДЗЗ для достижения дифракционного предела инструментального разрешения, а
-во-вторых, подтверждает правильность предложенной здесь оценки предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности проекцией периода дискретизации детектора на зондируемую земную поверхность.
Б. Аппаратура не согласована по критерию Найквиста
Для несогласованной аппаратуры КА ДЗЗ «WorldView-3» при F = 13,3 м, d = 6,7 мкм и H=617 км, проекция периода дискретизации детектора на зондируемую земную поверхность определяется (14) и оказывается равной
Figure 00000068
 (17)
Снова получено совпадение оценок пространственного разрешения на местности (13) и (17), но теперь и для несогласованной аппаратуры КА ДЗЗ
Figure 00000069
 (18)
Это также подтверждает правильность предложенного здесь критерия оценки предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности проекцией периода дискретизации детектора на зондируемую земную поверхность, а также свидетельствует об универсальности данного критерия, дающего правильный результат для любой степени согласования объектива и детектора КА ДЗЗ по критерию Найквиста. То есть, можно
Figure 00000070
Figure 00000070
этот критерий оценки всегда, не думая о том, согласована или нет аппаратура КА ДЗЗ по критерию Найквиста.
Полученный результат для предлагаемой оценки – R2dH/F объясняется тем, что проекция периода дискретизации детектора на зондируемую земную поверхность при цифровой регистрации изображений ДЗЗ (Фиг.
Figure 00000024
Figure 00000024
) эквивалентна двум линиям (темной и светлой) штриховой миры (Фиг.
Figure 00000071
Figure 00000071
), используемой для определения линейного разрешения на местности аналоговых фотоизображений ДЗЗ. При этом очевидно, что проекция одного пикселя детектора на зондируемую земную поверхность Фиг.
Figure 00000022
Figure 00000022
соответствует половине периода штриховой миры Фиг.
Figure 00000071
Figure 00000071
, то есть GSD (прототип) эквивалентен одной (темной или светлой) линии штриховой миры и не может характеризовать разрешение в соответствии с ГОСТ [1, 2] (аналоги). Значение пространственной частоты, характеризующей линейную разрешающую способность в аналоговом изображении может быть определено по формуле
Figure 00000072
Figure 00000072
[лин./мм]		 (19)
где p – минимальная ширина линейно разрешаемого объекта в фотоизображении (Фиг.
Figure 00000020
Figure 00000020
).
Линейное разрешение в изображении определяется, как
Figure 00000073
Figure 00000073
[м]		 (20)
Отсюда видно, что разрешающая способность выражает пространственную частоту с периодом, равным удвоенному значению ширины разрешаемого объекта. Для штриховой миры этот период равен суммарному размеру штриха и промежутка между штрихами. При этом величина линейного разрешения на местности (Фиг.
Figure 00000071
Figure 00000071
) RЛРМ определяется [14] (Кононов В. «Основы методики расчета разрешающей способности и точности определения координат аэрографических систем» (http://loi.sscc.ru/gis/29/chapter103.html.), как проекция RЛРИ на местность
Figure 00000074
Figure 00000074
[м] 		(21)
и равна
Figure 00000075
Figure 00000075
[м] 		(22)
В случае цифрового изображения размер минимального линейно разрешаемого объекта равен размеру пикселя d и формула (22) для линейного разрешения на местности совпадает с формулой (14) для проекции периода дискретизации детектора на зондируемую земную поверхность, подтверждая ее (14) справедливость для оценки предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности.
Вспоминая здесь о прототипе, важно отметить, что в согласованной по Найквисту аппаратуре КА ДЗЗ «WorldView-3» критерий GSD оценки разрешения на местности проекцией одного пикселя детектора на зондируемую земную поверхность (1) при Fc = 26,8 м, d = 6,7 мкм и H = 617км равен
Figure 00000076
Figure 00000076
и оказывается в 2 раза лучше дифракционного предела разрешения (10), равного
Figure 00000077
Figure 00000077
, что противоречит физическому смыслу и подтверждает, как ошибочность критерия оценки GSD (прототипа), так и неправомерность его использования.
Получив оценку инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности
Figure 00000078
Figure 00000078
и сравнивая ее с дифракционным пределом разрешения, можно определить требования к согласованию аппаратуры КА ДЗЗ по критерию Найквиста для обеспечения возможности достижения максимального (дифракционного) инструментального разрешения. Это согласование объектива и детектора аппаратуры КА ДЗЗ по критерию Найквиста также, как и оценка
Figure 00000078
Figure 00000078
, предлагается в заявляемом способе. Остановимся на этом подробнее. Рассмотрим последовательность операций согласования:
1) определяют дифракционный предел разрешения аппаратуры КА ДЗЗ «WorldView-3» на местности, как
Figure 00000079
Figure 00000079
(9), и при λ = 0,55 мкм, Н = 617 км, D = 1,1 м он равен
Figure 00000080
Figure 00000080
(10);
2) сравнивают дифракционный предел разрешения
Figure 00000081
Figure 00000081
(9) с полученной оценкой предельного инструментального разрешения
Figure 00000078
Figure 00000078
(14), для КА ДЗЗ «WorldView-3» при d = 6,7 мкм, Н = 617 км, F = 13,3 м, равной
Figure 00000082
Figure 00000082
, для чего формируют их отношение, как
Figure 00000083
Figure 00000083
[раз], и получают величину
Figure 00000084
Figure 00000084
характеризующую степень рассогласования по критерию Найквиста разрешений объектива и детектора аппаратуры КА ДЗЗ, которая для КА ДЗЗ «WorldView-3» равна
Figure 00000047
Figure 00000047
(8);
3) согласуют цифровой детектор с объективом аппаратуры КА ДЗЗ по критерию Найквиста, для чего определяют величину согласующего элемента дискретизации детектора dc, как
Figure 00000085
Figure 00000085
, и уменьшают величину элемента дискретизации детектора в
Figure 00000086
Figure 00000086
раз] от d до dc, выбирая другой детектор с элементом дискретизации dc. При этом согласовании предельное инструментальное разрешение аппаратуры КА ДЗЗ на местности оценивается, как
Figure 00000087
Figure 00000087
(23)
и совпадает с дифракционным разрешением, обеспечивающим максимизацию предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности.
На примере с КА ДЗЗ «WorldView-3» при d = 6,7 мкм и
Figure 00000088
Figure 00000088
, получаем требуемую для согласования величину dc = 3,33мкм.
Сегодня чувствительные цифровые детекторы оптического излучения с таким элементом дискретизации отсутствуют. Поэтому сначала выбирают реально существующий детектор, а затем с ним согласуют объектив;
4) при отсутствии сегодня технической возможности уменьшения величины элемента дискретизации детектора до величины dc, согласуют объектив аппаратуры КА ДЗЗ по критерию Найквиста с выбранным цифровым детектором, для чего определяют величину согласующего фокусного расстояния объектива
Figure 00000089
Figure 00000089
, как
Figure 00000038
Figure 00000038
, и увеличивают фокусное расстояние объектива в
Figure 00000006
Figure 00000006
[раз] от величины F до величины
Figure 00000089
Figure 00000089
. При таком согласовании предельное инструментальное разрешение аппаратуры КА ДЗЗ на местности оценивается, как
Figure 00000090
 (24)
и совпадает с дифракционным пределом разрешения КА ДЗЗ на местности.
На примере с КА ДЗЗ «WorldView-3» при F = 13,3 м и
Figure 00000091
Figure 00000091
получаем требуемую для согласования величину Fc = 26,8 м (8), которая легко может быть достигнута с помощью фотоувеличительной оптики [13].
Описанная последовательность операций практической реализации предлагаемого способа оценки и максимизации предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности представлена на Фиг.7.
Таким образом, на основании проведенных исследований получено, что заявляемый способ оценки и максимизации предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности, основанный на формировании проекции периода дискретизации детектора на зондируемую земную поверхность, позволяет повысить точность оценки в 2 раза по сравнению с оценкой GSD и после согласования аппаратуры КА ДЗЗ по критерию Найквиста обеспечивает достижение дифракционного предела инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности.
Это свидетельствует о том, что технический результат заявляемого способа – достижение дифракционного предела инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности – достигнут.
В заключение необходимо заметить, что предлагаемый здесь способ был использован для оценки предельного инструментального разрешения на местности отечественного КА ДЗЗ «Ресурс-П» (№ 1, 2, 3). Это позволило получить требования для согласования по критерию Найквиста аппаратуры КА ДЗЗ «Ресурс-П» (№ 4, 5) до их запуска в Космос и обеспечить этим возможность достижения в них дифракционного предела инструментального разрешения [15] (Cвиридов К.Н. «О предельном инструментальном разрешении космического аппарата «Ресурс-П» (№ 1, 2, 3)», Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, 2017, т. 4, вып. 2, с. 20-28).
Список использованной литературы
1. ГОСТ 2819-84. «Материалы фотографические. Метод определения разрешающей способности» (аналог).
2. ГОСТ 15114-78. «Системы телескопические для оптических приборов. Визуальный метод определения предела разрешения» (аналог).
3. «Способ измерения разрешения на местности оптико-электронной системы дистанционного зондирования», патент Российской Федерации № 2144654 (аналог).
4. «Способ измерения предела разрешения информационно-измерительной оптико-электронной системы и штриховая мира», патент Российской Федерации № 2213335 (аналог).
5. Лавров В.В. «Космические съемочные системы сверхвысокого разрешения», Геоинформационный портал ГИС-Ассоциации, 2010, № 2, с. 19).
6. Ground Sample Distance (GSD) Support (http://support.pix4d.com/he/eu-us/articles/202559809).
7. Хмелевской С.И., Тенденции в развитии цифровых аэрокосмических систем. Критерии сравнения и оценки, Геопрофи, 2011, № 1, с. 11 (прототип).
8. Замшин В.В. «Методы определения линейной разрешающей способности оптических и радиолокационных аэрокосмических изображений», Известия ВУЗов, геодезия и аэрофотосъемка, 2014, № 1, с. 43.
9. Уэзерелл У. «Оценка качества изображения», гл. 6 в кн. под ред. Р. Шеннона и Дж. Вайанта, «Проектирование оптических систем». М., изд-во Мир, 1989.
10. Гудмен Дж. «Введение в Фурье-оптику», М., изд-во Мир, 1970.
11. Кирилин А.Н. и др. «Космический аппарат «Ресурс-П», Геоматика, 2010, № 4, с. 23.
12. Свиридов К.Н. «Атмосферная оптика высокого углового разрешения», т. I - т.III, 2007, М., изд. Знание.
13. Richardson E.H., «Optical design of an image degradation reducing enlarging camera for the prime focus of the CFHT», SPIE, 1983, v. 445, p. 555.
14. Кононов В. «Основы методики расчета разрешающей способности и точности определения координат аэрографических систем» (http://loi.sscc.ru/gis/29/chapter103.html)
15. Свиридов К.Н. «О предельном инструментальном разрешении космического аппарата «Ресурс-П» (№ 1-3)», Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, 2017, т. 4, вып. 2, с. 20-28.

Claims (1)

  1. Способ оценки и максимизации предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности, основанный на получении паспортных данных аппаратуры КА ДЗЗ: диаметра апертуры объектива D, его фокусного расстояния F, размера элемента дискретизации (пикселя) цифрового детектора, средней длины волны солнечного излучения подсвета земной поверхности, а также высоты КА ДЗЗ над зондируемой земной поверхностью H, и формировании по ним искомой оценки, отличающийся тем, что по паспортным данным аппаратуры КА ДЗЗ определяют период дискретизации цифрового детектора 2d, формируют его проекцию на зондируемую земную поверхность, как
    Figure 00000092
    , и по полученной величине
    Figure 00000093
    оценивают предельное инструментальное разрешение КА ДЗЗ на местности, далее определяют дифракционный предел разрешения аппаратуры КА ДЗЗ на местности, как
    Figure 00000094
    , и сравнивают его с полученной оценкой предельного инструментального разрешения КА ДЗЗ на местности
    Figure 00000095
    , для чего формируют их отношение, как
    Figure 00000096
    , и получают величину
    Figure 00000097
    , характеризующую степень рассогласования по критерию Найквиста разрешений объектива и детектора аппаратуры КА ДЗЗ, затем для достижения дифракционного предела разрешения согласуют аппаратуру КА ДЗЗ по критерию Найквиста, для чего определяют величину согласующего элемента разрешения детектора
    Figure 00000098
    , как
    Figure 00000099
    , и уменьшают величину элемента дискретизации детектора в
    Figure 00000097
    раз от величины d до величины dc , при этом предельное инструментальное разрешение КА ДЗЗ на местности оценивается, как
    Figure 00000100
    и совпадает с дифракционным пределом разрешения
    Figure 00000101
    КА ДЗЗ на местности, а при отсутствии технической возможности уменьшения величины элемента дискретизации детектора до величины dc определяют величину согласующего фокусного расстояния объектива
    Figure 00000102
    , как
    Figure 00000103
    , и увеличивают фокусное расстояние объектива в
    Figure 00000097
    раз от величины F до согласующей величины
    Figure 00000104
    , при этом предельное инструментальное разрешение КА ДЗЗ на местности оценивается, как
    Figure 00000105
    , и совпадает с дифракционным пределом разрешения
    Figure 00000106
    КА ДЗЗ на местности.
RU2017144878A 2017-12-20 2017-12-20 Способ оценки и максимизации предельного инструментального разрешения космического аппарата дистанционного зондирования Земли на местности RU2669262C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017144878A RU2669262C1 (ru) 2017-12-20 2017-12-20 Способ оценки и максимизации предельного инструментального разрешения космического аппарата дистанционного зондирования Земли на местности

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017144878A RU2669262C1 (ru) 2017-12-20 2017-12-20 Способ оценки и максимизации предельного инструментального разрешения космического аппарата дистанционного зондирования Земли на местности

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2669262C1 true RU2669262C1 (ru) 2018-10-09

Family

ID=63798500

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017144878A RU2669262C1 (ru) 2017-12-20 2017-12-20 Способ оценки и максимизации предельного инструментального разрешения космического аппарата дистанционного зондирования Земли на местности

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2669262C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2809922C1 (ru) * 2023-06-16 2023-12-19 Евгений Викторович Чаусов Способ оценивания линейного разрешения на местности цифровых оптико-электронных систем дистанционного зондирования земли на основе использования адаптивного показателя порогового контраста

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070040828A1 (en) * 2003-05-13 2007-02-22 Eceed Imaging Ltd. Optical method and system for enhancing image resolution
RU2012156628A (ru) * 2012-12-26 2014-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" (ФГБОУ ВПО "РГРТУ") Способ повышения разрешения систем космического наблюдения земли

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070040828A1 (en) * 2003-05-13 2007-02-22 Eceed Imaging Ltd. Optical method and system for enhancing image resolution
RU2012156628A (ru) * 2012-12-26 2014-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" (ФГБОУ ВПО "РГРТУ") Способ повышения разрешения систем космического наблюдения земли

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Свиридов К.Н. "О предельном инструментальном разрешении космического аппарата "Ресурс-П (No 1, 2, 3)", РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ, т. 4, вып. 2, 2017 г., стр. 20-28. *
Свиридов К.Н. "О предельном инструментальном разрешении космического аппарата "Ресурс-П (No 1, 2, 3)", РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ, т. 4, вып. 2, 2017 г., стр. 20-28. Хмелевской С.И. "Тенденции в развитии цифровых аэрокосмических систем. Критерии сравнения и оценки", ГЕОПРОФИ, No 1, 2011 г., стр. 11-16. *
Хмелевской С.И. "Тенденции в развитии цифровых аэрокосмических систем. Критерии сравнения и оценки", ГЕОПРОФИ, No 1, 2011 г., стр. 11-16. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2809922C1 (ru) * 2023-06-16 2023-12-19 Евгений Викторович Чаусов Способ оценивания линейного разрешения на местности цифровых оптико-электронных систем дистанционного зондирования земли на основе использования адаптивного показателя порогового контраста

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Corsini et al. Striping removal in MOS-B data
Orych Review of methods for determining the spatial resolution of UAV sensors
Carbone et al. New methods to constrain the radio transient rate: results from a survey of four fields with LOFAR
CN105548032A (zh) 一种紧凑型高分辨率宽视场光谱成像系统
Monteiro-Oliveira et al. New insights on the dissociative merging galaxy cluster Abell 2034
RU2531024C1 (ru) Способ дистанционного зондирования земли (дзз)
Karpov et al. Photometric calibration of a wide‐field sky survey data from Mini‐MegaTORTORA
RU2669262C1 (ru) Способ оценки и максимизации предельного инструментального разрешения космического аппарата дистанционного зондирования Земли на местности
Pellizzari et al. Intensity interferometry experiments and simulations
DesAutels A modern review of the Johnson image resolution criterion
RU2673502C1 (ru) Способ автоматического определения параметров оптико-электронных систем и составной тест-объект для его осуществления с произвольной конфигурацией составных элементов с различной пространственной частотой
Lerche et al. Preliminary performance measurements for a streak camera with a large-format direct-coupled charge-coupled device readout
Schott et al. Chasing the TIRS ghosts: calibrating the Landsat 8 thermal bands
Türkmenoğlu et al. On-orbit modulation transfer function estimation For RASAT
CN103792005A (zh) 宽谱段二维色散高速成像光谱仪
Wang et al. Radiometric quality assessment of GOES-16 ABI L1b images
Gašparović et al. Testing of image quality parameters of digital cameras for photogrammetric surveying with unmanned aircrafts
Mitchell et al. Luminous quasars at high redshift
RU2673501C1 (ru) Способ автоматического определения параметров оптико-электронных систем и составной тест-объект для его осуществления с произвольной конфигурацией составных элементов с единой пространственной частотой
Gorbovskoy et al. Transient Detections and Other Real‐Time Data Processing from MASTER‐VWF Wide‐Field Cameras
Zhang et al. Distance-weighted modulation transfer function measurement method
Bauer Improving the Accuracy of Position Detection of Point Light Sources on Digital Images
Xu et al. Research of on-orbit MTF measurement for the satellite sensors
Dudinov et al. GRAVITATIONAL LENS SYSTEM Q2237+ 0305 IN 2001− 2008: OBSERVATIONS ON MT. MAIDANAK
RU2730886C1 (ru) Способ достижения дифракционного предела разрешения изображений дистанционного зондирования Земли для малых космических аппаратов