RU2730101C1 - Method of determining resolution of optical-electronic equipment for remote probing - Google Patents

Method of determining resolution of optical-electronic equipment for remote probing Download PDF

Info

Publication number
RU2730101C1
RU2730101C1 RU2019131946A RU2019131946A RU2730101C1 RU 2730101 C1 RU2730101 C1 RU 2730101C1 RU 2019131946 A RU2019131946 A RU 2019131946A RU 2019131946 A RU2019131946 A RU 2019131946A RU 2730101 C1 RU2730101 C1 RU 2730101C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
image
optical
electronic equipment
moon
spacecraft
Prior art date
Application number
RU2019131946A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Павлович Фадеев
Алексей Владимирович Левицкий
Антон Николаевич Зеленщиков
Илья Юрьевич Садовников
Original Assignee
Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва"
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 Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва" filed Critical Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва"
Priority to RU2019131946A priority Critical patent/RU2730101C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2730101C1 publication Critical patent/RU2730101C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C11/00—Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying
    • G01C11/02—Picture taking arrangements specially adapted for photogrammetry or photographic surveying, e.g. controlling overlapping of pictures
    • G01C11/025—Picture taking arrangements specially adapted for photogrammetry or photographic surveying, e.g. controlling overlapping of pictures by scanning the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0242—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations
    • G01M11/0257—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations by analyzing the image formed by the object to be tested
    • G01M11/0264—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations by analyzing the image formed by the object to be tested by using targets or reference patterns

Abstract

FIELD: astronautics.SUBSTANCE: invention relates to space engineering for photographing terrain from orbit of spacecraft and processing images obtained using optical-electronic equipment for remote probing. Method of determining the resolution of optical-electronic equipment for remote probing is based on scanning the underlying surface to form a digital image of objects on photosensitive matrices and subsequent processing. First, by turning the spacecraft, aiming the optical axis at the point of the celestial sphere in the vicinity of the Moon, then performing program rotations of the spacecraft and scanning the surface of the moon with the field of view of optoelectronic remote sensing equipment, in which the direction of displacement of the image of the surface of the moon on photosensitive matrices coincides with the direction of transfer charge packets in photosensitive matrices. Clock frequency of transfer of charge packets should be synchronized with angular speed of programmed turns of space vehicle, and when processing the obtained image, by blurring boundaries on the image of the surface of the moon, determining a frequency contrast characteristic, and based on it for a given contrast and known design parameters of the equipment, resolution is determined.EFFECT: technical result consists in providing the possibility of determining the resolution of optical-electronic equipment for remote sensing in conditions of the entire space flight regardless of weather conditions and the state of ground polygons, as well as controlling change in resolution of optical-electronic equipment for remote probing during space flight under the effect of various factors.1 cl, 12 dwg

Description

Предлагаемый способ определения разрешающей способности оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования относится к космической технике, а именно к обработке получаемых аппаратурой изображений, и может быть использован для определения разрешающей способности оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования в условиях космического полета. При запуске космического аппарата, содержащего оптико-электронной аппаратуру дистанционного зондирования, а также в процессе эксплуатации оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования геометрические параметры оптической системы, радиометрические (разброс чувствительности, нулевых уровней и отношения сигнал/шум отдельных элементов фоточувствительных матриц) могут изменяться. Это влияет на качество получаемой с помощью аппаратуры дистанционного зондирования информации. Поэтому необходимо с заданной периодичностью проводить полетную калибровку оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования. В наземных условиях определение разрешающей способности проводят с помощью специального оборудования, включающего в себя большие коллиматоры и миры. В условиях полета, как правило, для определения (уточнения) разрешающей способности, используют специально созданные полигоны, представляющие собой выровненные площадки, на которых расположены линейные и радиальные миры различных размеров. Эти полигоны требуют постоянного технического обслуживания для поддержания оптических характеристик (яркости и контраста) в стабильном состоянии.The proposed method for determining the resolution of optoelectronic remote sensing equipment relates to space technology, namely, to the processing of images obtained by the equipment, and can be used to determine the resolution of optoelectronic remote sensing equipment in space flight. During the launch of a spacecraft containing optical-electronic equipment for remote sensing, as well as during the operation of optical-electronic equipment for remote sensing, the geometric parameters of the optical system, radiometric (spread of sensitivity, zero levels and signal-to-noise ratio of individual elements of photosensitive matrices) can change. This affects the quality of the information received with the help of remote sensing equipment. Therefore, it is necessary to carry out flight calibration of the optical-electronic equipment for remote sensing with a given frequency. In ground conditions, the resolution is determined using special equipment, which includes large collimators and targets. In flight conditions, as a rule, to determine (clarify) the resolving power, specially created polygons are used, which are leveled platforms on which linear and radial targets of various sizes are located. These polygons require constant maintenance to keep the optical characteristics (brightness and contrast) stable.

За аналог может быть принят способ определения разрешающей способности, приведенный журнале GEOMATICS №2 2013 в статье «Космический контролер чрезвычайных ситуаций «Канопус-В» подтверждает заявленные характеристики».For an analogue can be taken the method of determining the resolution, given in the journal GEOMATICS No. 2 2013 in the article "Space controller of emergency situations" Kanopus-V "confirms the declared characteristics."

Недостатком данного способа является то, что для калибровки используют наземные полигоны, которые требуется поддерживать в рабочем состоянии, т.е. обеспечивать стабильность их геометрических и отражательных характеристик. Другим недостатком использования наземных полигонов для полетной калибровки является зависимость возможности проведения полетной калибровки от метеоусловий (прозрачности атмосферы, наличия облачности). Кроме того, создание таких полигонов и поддержание их в рабочем состоянии требует определенных материальных затрат.The disadvantage of this method is that ground ranges are used for calibration, which must be maintained in working order, i.e. ensure the stability of their geometric and reflective characteristics. Another disadvantage of using ground test ranges for flight calibration is the dependence of the possibility of performing flight calibration on meteorological conditions (transparency of the atmosphere, the presence of clouds). In addition, the creation of such landfills and their maintenance in working order requires certain material costs.

За аналог можно принять способ определения разрешающей способности оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования описанный в патенте RU 2144654. В данном способе производится съемка местности, на которой располагают стандартный тест-объект (штриховую миру), в результате съемки формируют изображение. По полученным изображениям мир выделяют группы мир, опознаваемые оператором с заданной вероятностью, затем по известным характеристикам этих мир, производится расчет разрешающей способности аппаратуры дистанционного зондирования. Данному способу присущи те же недостатки, что описаны у предыдущего аналога.For an analogue, you can take the method for determining the resolution of optical-electronic equipment for remote sensing described in patent RU 2144654. In this method, the area is surveyed where the standard test object is located (line world), as a result of shooting, an image is formed. According to the obtained images of the world, groups of the world are distinguished, identified by the operator with a given probability, then, according to the known characteristics of these worlds, the resolution of the remote sensing equipment is calculated. This method has the same disadvantages as described in the previous analogue.

За прототип способа определения разрешающей способности оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования предлагается принять способ, описанный в патенте RU 2673501, основанный на сканировании подстилающей поверхности для формирования цифрового изображения объектов на фоточувстительных матрицах и последующей его обработки. В данном способе с помощью оптико-электронной аппаратуры производится съемка поверхности с расположенными на ней мишенями (тестовыми объектами). Затем производится анализ и обработка полученных изображений в электронно-вычислительной машине. В результате обработки получают значение разрешающей способности. При применении данного способа в лабораторных условиях результат может быть оперативно и с заданной точностью. Однако при масштабировании способа для работы с орбиты КА, возникают те же проблемы, что описаны выше для аналога: влияние и нестабильность атмосферы, необходимость обслуживания мишенной позиции для поддержания ее в стабильном состоянии.For a prototype of a method for determining the resolution of optical-electronic equipment for remote sensing, it is proposed to adopt the method described in patent RU 2673501, based on scanning the underlying surface to form a digital image of objects on photosensitive matrices and its subsequent processing. In this method, with the help of optoelectronic equipment, the surface is surveyed with targets (test objects) located on it. Then, the analysis and processing of the obtained images is carried out in an electronic computer. As a result of processing, a resolution value is obtained. When using this method in laboratory conditions, the result can be promptly and with a given accuracy. However, when the method is scaled for operation from the spacecraft orbit, the same problems arise as described above for the analogue: the influence and instability of the atmosphere, the need to maintain the target position to maintain it in a stable state.

Задачей настоящего изобретения является создание способа определения разрешающей способности оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования в условиях всего космического полета вне зависимости от метеоусловий и состояния наземных полигонов, а также контроля изменения разрешающей способности оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования в течение космического полета под воздействием различных факторов (глубокий вакуум, радиационное облучение, температурные деформации и т.п.).The objective of the present invention is to create a method for determining the resolution of optoelectronic remote sensing equipment under the conditions of the entire space flight, regardless of meteorological conditions and the state of ground ranges, as well as monitoring changes in the resolution of optoelectronic remote sensing equipment during space flight under the influence of various factors ( deep vacuum, radiation exposure, temperature deformations, etc.).

Технически результат достигается тем, что в способе определения разрешающей способности оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования, основанном на сканировании подстилающей поверхности для формирования цифрового изображения объектов на фоточувстительных матрицах и последующей его обработки, в отличие от известных, предварительно путем разворота космического аппарата производят наведение оптической оси на точку небесной сферы в окрестности Луны, затем выполняют программные развороты космического аппарата и сканирование поверхности Луны полем зрения оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования, при котором направление смещения изображения поверхности Луны на фоточувствительных матрицах совпадает с направлением переноса зарядовых пакетов в фоточувстительных матрицах, причем тактовая частота переноса зарядовых пакетов должна быть синхронизирована с угловой скоростью программных разворотов космического аппарата, а при обработке полученного изображения, по размытию границ на изображении поверхности Луны, определяют частотно-контрастную характеристику, а по ней для заданного контраста и известных конструктивных параметров аппаратуры, определяют разрешающую способность.The technical result is achieved by the fact that in the method for determining the resolution of optical-electronic equipment for remote sensing, based on scanning the underlying surface to form a digital image of objects on photosensitive matrices and its subsequent processing, in contrast to the known ones, the optical axis is guided beforehand by turning the spacecraft to the point of the celestial sphere in the vicinity of the Moon, then the programmed turns of the spacecraft and the scanning of the lunar surface by the field of view of the optical-electronic equipment for remote sensing are performed, in which the direction of the displacement of the image of the lunar surface on the photosensitive matrices coincides with the direction of transfer of charge packets in the photosensitive matrices, and the clock frequency the transfer of charge packets should be synchronized with the angular velocity of the programmed turns of the spacecraft, and when processing the resulting image, by blur boundaries on the image of the lunar surface, determine the frequency-contrast characteristic, and from it, for a given contrast and known design parameters of the equipment, determine the resolution.

Технический результат достигается за счет получения цифрового изображения заданных участков лунной поверхности с помощью оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования путем наведения оптической оси аппаратуры дистанционного зондирования на точку небесной сферы в окрестности Луны с последующими программными разворотами для сканирования полем зрения аппаратуры дистанционного зондирования поверхности Луны.The technical result is achieved by obtaining a digital image of specified areas of the lunar surface with the help of optical-electronic equipment for remote sensing by pointing the optical axis of the remote sensing equipment to a point in the celestial sphere in the vicinity of the Moon with subsequent program turns for scanning the field of view of the remote sensing equipment of the lunar surface.

Суть изобретения поясняется графическими материалами:The essence of the invention is illustrated by graphic materials:

фиг. 1 - схема сканирования Луны оптико-электронной аппаратурой дистанционного зондирования, с помощью разворотов космического аппарата.fig. 1 is a diagram of the scanning of the Moon by optical-electronic equipment for remote sensing, using the turns of the spacecraft.

фиг. 2 - фрагмент изображения края диска Луны с выделенным окном для последующей обработки изображения.fig. 2 - a fragment of the image of the edge of the lunar disk with a highlighted window for subsequent image processing.

фиг. 3 - график функции яркости точек изображения В(Х) для одной строки в выделенном окне.fig. 3 is a graph of the brightness function of image points B (X) for one line in the selected window.

фиг. 4 - график значений производной от функции В(Х) по dX dB(X).fig. 4 is a graph of the values of the derivative of the function B (X) by dX dB (X).

фиг. 5 - график суммарной функции рассеяния FDISP(X) от края Луны для выделенного окна.fig. 5 is a graph of the total scatter function F DISP (X) from the edge of the Moon for the highlighted window.

фиг. 6 - график функции передачи модуляции MTF(ν) для изображения края.fig. 6 is a graph of the modulation transfer function MTF (ν) for an edge image.

фиг. 7 - фрагмент изображения поверхности Луны (Море дождей и кратер Платон).fig. 7 - a fragment of the image of the surface of the Moon (Sea of Rains and Plato crater).

фиг. 8 - график функции яркости точек изображения В(Х) для строки и столбца, пересекающих изображение мелкого кратера в выделенном окне в кратере Платон.fig. 8 is a graph of the brightness function of image points B (X) for a row and a column crossing the image of a small crater in the highlighted window in Plato crater.

фиг. 9 - суммарный график (Sum[dB(x)]) функции рассеяния FDISP(X) для изображения кратера в выделенном окне на фиг. 7.fig. 9 is a summary graph (Sum [dB (x)]) of the scattering function F DISP (X) for the crater image in the highlighted window in FIG. 7.

фиг. 10 - график функции передачи модуляции MTF(ν) для изображения точечного объекта.fig. 10 is a graph of the modulation transfer function MTF (ν) for a point object image.

фиг. 11 - изображение кратера Платон с отмеченными размерами малых кратеров.fig. 11 - image of the Plato crater with marked sizes of small craters.

фиг. 12 - схема взаимного положения КА на орбите Земли и регистрируемого участка на поверхности Луны.fig. 12 is a diagram of the relative position of the spacecraft in the Earth's orbit and the recorded area on the lunar surface.

Способ определения разрешающей способности оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования заключается в выполнении нескольких сканированиях поверхности Луны с помощью программных разворотов космического аппарата (КА), на котором установлена оптико-электронная аппаратура дистанционного зондирования. На фиг. 1 условно показан участок фокальной плоскости объектива аппаратуры дистанционного зондирования с полем зрения, в котором расположены фоточувствительные матрицы ФПЗС (фотоприборы с зарядовой связью). Сплошными и пунктирными линиями показана траектория перемещения оптической оси аппаратуры дистанционного зондирования в пространстве при разворотах КА. Запись цифрового изображения производится при движении по траектории, показанной сплошной линией. Чтобы не было смаза получаемого цифрового изображения, траектория сканирования, которая обеспечивается программными разворотами КА, должна быть перпендикулярна строкам матриц ФПЗС, а направление смещения изображения поверхности Луны в фокальной плоскости объектива оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования должно совпадать с направлением переноса зарядовых пакетов в матрицах ФПЗС. Чтобы не было смаза получаемого изображения вдоль направления сканирования тактовая частота переноса зарядовых пакетов должна быть синхронизирована с угловой скоростью программных разворотов КА. Развороты КА поперек направления сканирования производятся с шагом, обеспечивающим запись изображения заданного участка поверхности Луны, например, краем и центром поля зрения объектива аппаратуры.The method for determining the resolving power of optical-electronic equipment for remote sensing consists in performing several scans of the lunar surface using programmed turns of the spacecraft (SC), on which the optical-electronic equipment for remote sensing is installed. FIG. 1 conventionally shows a section of the focal plane of the lens of the remote sensing equipment with a field of view, in which the photosensitive matrixes of the FPCD (charge-coupled photodevices) are located. Solid and dotted lines show the trajectory of movement of the optical axis of the remote sensing equipment in space during the spacecraft turns. The digital image is recorded while moving along the trajectory shown by the solid line. To avoid smearing the resulting digital image, the scanning trajectory, which is provided by the programmed rotations of the spacecraft, must be perpendicular to the lines of the FPCDs, and the direction of the displacement of the image of the Moon surface in the focal plane of the lens of the optoelectronic remote sensing equipment should coincide with the direction of transfer of charge packets in the FPCDs ... In order not to blur the resulting image along the scanning direction, the clock frequency of the transfer of the charge packets must be synchronized with the angular velocity of the programmed turns of the spacecraft. The spacecraft turns across the scanning direction with a step that ensures the recording of an image of a given area of the lunar surface, for example, by the edge and center of the field of view of the equipment lens.

При сканированиях заданный район поверхности Луны последовательно попадает на разные участки поля зрения объектива оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования, для оценки качества изображения по всему полю зрения. В процессе сканирования производится запись цифрового изображения, которое затем передается с помощью высокоскоростной радиолинии (ВРЛ) на наземные пункты приема и обработки информации.During scans, a given area of the lunar surface sequentially falls on different parts of the field of view of the lens of optical-electronic equipment for remote sensing, to assess the image quality over the entire field of view. During the scanning process, a digital image is recorded, which is then transmitted using a high-speed radio link (HSL) to ground-based information receiving and processing points.

Необходимость сканирования обусловлена тем, что в рассматриваемом способе используется, например, оптико-электронная аппаратура дистанционного зондирования с матрицами ФПЗС работающими в режиме с временной задержкой накопления (ВЗН). В отличие от кадровой съемки, в режиме ВЗН съемка производится строками в непрерывном режиме. Количество шагов накопления при съемке в режиме ВЗН определяется необходимым временем экспозиции. Чем ниже освещенность снимаемой поверхности, тем длительнее время экспозиции и, соответственно, больше число шагов накопления. Альбедо Луны АЛуны≈-0,073, что соответствует отражательной способности объектов на поверхности Земли таких как, лес, мокрая суглинистая почва, шоссе. Поэтому угловая скорость программных разворотов КА при сканировании Луны должна быть близкой к угловой скорости подстилающей поверхности Земли при съемке объектов на Земле ωскан≈0,01 рад/с≈32' с. То есть при сканировании полного диска Луны, угловой размер которого составляет 30÷32', один проход длится ~1 с. Луна, как для наземного наблюдателя, так и для наблюдателя с КА на орбите Земли перемещается на фоне звезд. Угловая скорость этого перемещения ωЛ≈13,2°/сут≈0,55'' с для высоты орбиты КА Норб≈720 км. Если направление сканирования будет перпендикулярно направлению собственного углового перемещения Луны, то возникает перекос изображения (т.е. квадрат отображается в виде ромба). Оценим величину перекоса β:The need for scanning is due to the fact that the considered method uses, for example, optoelectronic remote sensing equipment with FPCD matrices operating in a mode with a time delay of accumulation (TDL). Unlike frame shooting, in VZN mode, shooting is performed in lines in a continuous mode. The number of steps of accumulation when shooting in the VZN mode is determined by the required exposure time. The lower the illumination of the filmed surface, the longer the exposure time and, accordingly, the greater the number of accumulation steps. Albedo of the Moon A of the Moon ≈ -0,073, which corresponds to the reflectivity of objects on the Earth's surface such as a forest, wet loamy soil, highways. Therefore, the angular velocity of the programmed turns of the spacecraft when scanning the Moon should be close to the angular velocity of the underlying Earth's surface when photographing objects on the Earth ω scan ≈0.01 rad / s≈32 's. That is, when scanning the full disk of the Moon, the angular size of which is 30 ÷ 32 ', one pass lasts ~ 1 s. The moon, both for a ground observer and for an observer with a spacecraft in the Earth's orbit, moves against the background of stars. The angular velocity of this movement is ω L ≈13.2 ° / day ≈ 0.55 '' s for the orbital altitude of the spacecraft H orb ≈720 km. If the scanning direction is perpendicular to the direction of the Moon's own angular displacement, then the image is skewed (i.e., the square is displayed as a diamond). Let us estimate the value of the skew β:

Figure 00000001
Figure 00000001

Как видно из формулы (1) перекос β≈1' незначителен, им можно пренебречь при сканировании Луны. В результате обработки цифрового изображения резкого края Луны получается функция передачи модуляции MTF(ν) аппаратуры дистанционного зондирования. Функция передачи модуляции эквивалентна частотно-контрастной характеристике аппаратуры дистанционного зондирования.As can be seen from formula (1), the skew β≈1 'is insignificant, it can be neglected when scanning the Moon. As a result of processing the digital image of the sharp edge of the Moon, the MTF (ν) modulation transmission function of the remote sensing equipment is obtained. The modulation transfer function is equivalent to the frequency contrast response of remote sensing equipment.

Процесс получения MTF(ν) с использованием резкого края изображения состоит из нескольких этапов.The process of obtaining MTF (ν) using the sharp edge of the image consists of several stages.

Из цифрового изображения резкого края диска Луны вырезается часть изображения в форме окна высотой в несколько строк и шириной в несколько столбцов, как показано белой рамкой на фиг. 2.Cut out from the digital image of the sharp edge of the lunar disk is a window-shaped portion of several rows high and several columns wide, as shown by the white frame in FIG. 2.

Составляется массив значений яркостей точек изображения в выделенном окне.An array of brightness values for image points in the selected window is compiled.

Для каждой строки массива, соответствующей строке изображения выделенного окна, строится функция значения яркости В(х), где х соответствует расстояние от левого края выделенного окна. Строки изображения в выделенном окне, целиком попадающие на изображение поверхности Луны, либо целиком находящиеся за пределами изображения поверхности Луны, отбрасываются из дальнейших расчетов. Пример графика функции яркости точек изображения для одной строки показан на фиг. 3.For each line of the array corresponding to the line of the selected window, the function of the brightness value B (x) is built, where x is the distance from the left edge of the selected window. The lines of the image in the selected window, which entirely fall on the image of the surface of the Moon, or are entirely outside the image of the surface of the Moon, are discarded from further calculations. An example of a graph of the luminance function of image pixels for one line is shown in FIG. 3.

Каждая функция Bi(x) дифференцируется по dx, где i - номер строки выделенного окна. Значения полученных функций dBi(x) берутся по модулю. Функции dBi(x) являются функциями рассеяния излучения, участвующего в образовании изображения оптической системой на матрице фотоприемного устройства оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования. Пример функции рассеяния для одной строки изображения края показан на фиг. 4.Each function B i (x) is differentiated by dx, where i is the line number of the selected window. The values of the obtained functions dB i (x) are taken modulo. The functions dB i (x) are the functions of the scattering of radiation involved in the formation of an image by the optical system on the matrix of the photodetector of the optoelectronic equipment for remote sensing. An example of a scatter function for one line of an edge image is shown in FIG. 4.

Находим положение точки xi_max максимального значения dBi(x)max каждой функции dBi(x).Find the position of the point x i _ max of the maximum value dB i (x) max of each function dB i (x).

Находим величину смещения положения максимумов 1-й и последней функции dBi(x):Find the value of the displacement of the position of the maxima of the 1st and last function dB i (x):

Figure 00000002
Figure 00000002

где k - номер последней выбранной строки.where k is the number of the last selected row.

Проводим сложение функций после сдвига каждой из них кроме 1-й на величину шагаWe carry out the addition of functions after shifting each of them except for the 1st one by the step size

Figure 00000003
Figure 00000003

по формулеaccording to the formula

Figure 00000004
Figure 00000004

где FDISP(x) - суммарная функция рассеяния.where F DISP (x) is the total scattering function.

Пример полученной суммарной функции рассеяния от края Луны для изображения в выделенном окне показан на фиг. 5.An example of the resulting total scattering function from the edge of the Moon for the image in the highlighted window is shown in Fig. five.

Функция рассеяния это физический параметр любой оптической системы, и в частности объектива аппаратуры дистанционного зондирования. Она отображает действие аберраций, дифракции и рассеяния света на качество получаемого изображения. Кроме того на качество изображения оказывает влияние и размеры элемента (пиксела) матричного приемника.The scatter function is a physical parameter of any optical system, and in particular of the lens of remote sensing equipment. It displays the effect of aberration, diffraction and light scattering on the quality of the resulting image. In addition, the image quality is affected by the size of the element (pixel) of the matrix receiver.

Функцию передачи модуляции MTF получают с помощью дискретного преобразования Фурье из функции рассеяния FDISP:The modulation transfer function MTF is obtained using the discrete Fourier transform from the scatter function F DISP :

Figure 00000005
Figure 00000005

где N- количество измерений по ширине выделенного окна,where N is the number of measurements along the width of the selected window,

k - индекс пространственной частоты ν.k is the index of the spatial frequency ν.

Figure 00000006
Figure 00000006

T - период пространственной частоты.T is the period of the spatial frequency.

Действительная часть выражения (5) Re(MTF(k)) определяется как:

Figure 00000007
The real part of expression (5) Re (MTF (k)) is defined as:
Figure 00000007

а мнимая часть, как:and the imaginary part is like:

Figure 00000008
Figure 00000008

Амплитуда функции MTF(k) определяется как:The amplitude of the MTF (k) function is defined as:

Figure 00000009
Figure 00000009

а фаза, как:and the phase is like:

Figure 00000010
Figure 00000010

Нормированная по максимальному значению функция передачи модуляции MTF(k) приведена на фиг. 6.The maximum-normalized modulation transfer function MTF (k) is shown in FIG. 6.

Для аппаратуры дистанционного зондирования с матричным приемником для частоты Найквиста принимается период Т, равный двум размерам пикселя d, то есть T=2d.For remote sensing equipment with a matrix receiver for the Nyquist frequency, the period T is taken equal to two pixel sizes d, that is, T = 2d.

В случае размера пикселя, равного 9×10-3 мм, частота Найквиста ν1 будет равна:In the case of a pixel size of 9 × 10 -3 mm, the Nyquist frequency ν 1 will be equal to:

Figure 00000011
Figure 00000011

по графику MTF(k) на фиг. 6 определяем значение амплитуды A1≈0,555,from the MTF (k) plot of FIG. 6 we determine the value of the amplitude A 1 ≈ 0.555,

Это означает, что объекты, например штриховые миры с контрастом К0=1, при регистрации их аппаратурой дистанционного зондирования, имеющей характеристику MTF(k) как на фиг. 6, на частоте ν1 будут воспроизводиться на полученном изображении с контрастом K1≈0,555. Аналогично можно определить снижение контраста и для других пространственных частот.This means that objects, for example, dashed targets with a contrast K 0 = 1, when they are registered by remote sensing equipment having the MTF (k) characteristic as in Fig. 6, at a frequency ν 1 will be reproduced on the resulting image with a contrast of K 1 ≈ 0.555. Similarly, you can define the reduction in contrast for other spatial frequencies.

Процесс получения MTF с использованием изображения мелких кратеров производится следующим образом. Съемка Луны должна быть выполнена при неполной фазе Луны, для получения контрастного изображения. Мелкие кратеры выбирают такие, у которых диаметр кратера разрешается не в виде кольца, а в виде светящейся точки из двух-четырех пикселей. Пример такого выбора приведен на фиг. 7. На верхней границе Моря дождей расположен кратер Платон, имеющий плоское дно. На поверхности кратера Платон имеется несколько мелких кратеров. Из цифрового изображения с кратером Платон вырезан квадрат, выделенный на фиг.7 белым контуром, в центре которого расположен мелкий кратер. Яркости точек изображения на линиях, параллельных сторонам квадрата и проходящих через кратер показаны на графиках В(х) на фиг. 8 Графики функции рассеяния FDISP(x) получены в результате дифференцирования графиков функций В(х) по dx и последующего их суммирования как показано на фиг. 9. В соответствии с выражениями 7, 8, 9 в результате дискретного преобразования Фурье из функции рассеяния получена функция передачи модуляции MTF(k). График функции передачи модуляции MTF(k) приведен на фиг. 10. По графику MTF(k) для частоты Найквиста

Figure 00000012
определяем значение амплитуды
Figure 00000013
т.е. для точечных объектов с контрастом, равным 1, в полученном цифровом изображении их контраст снизится до значения 0,45.The process of obtaining MTF using the image of small craters is as follows. Moon imaging must be performed with incomplete moon phase to obtain a high-contrast image. Small craters are chosen such that the crater diameter is resolved not in the form of a ring, but in the form of a luminous point of two to four pixels. An example of such a choice is shown in FIG. 7. On the upper border of the Sea of Rains is the Plato crater, which has a flat bottom. There are several small craters on the surface of Plato crater. From the digital image with the Plato crater, a square is cut out, highlighted in Fig. 7 by a white outline, in the center of which there is a small crater. The brightness of the image points on the lines parallel to the sides of the square and passing through the crater are shown in the graphs B (x) in FIG. 8 The graphs of the scattering function F DISP (x) are obtained by differentiating the graphs of the functions B (x) with respect to dx and then summing them as shown in FIG. 9. In accordance with expressions 7, 8, 9 as a result of the discrete Fourier transform from the scattering function, the modulation transfer function MTF (k) is obtained. A plot of the modulation transfer function MTF (k) is shown in FIG. 10. According to the MTF (k) plot for the Nyquist frequency
Figure 00000012
determine the value of the amplitude
Figure 00000013
those. for point objects with a contrast equal to 1, in the resulting digital image, their contrast will decrease to a value of 0.45.

Оценку предельной разрешающей способности оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования с участием опытного оператора проводят по изображению на экране цифрового изображения, например, кратера Платон (Platon), внутри которого на плоском дне, находятся множество более мелких кратеров. Изображение кратера Платон приведено на фиг. 11. На этом снимке указаны размеры нескольких мелких кратеров. Угловой размер этих кратеров при наблюдении с Земли (среднее расстояние 384400 км) составит в угл. сек. - 1,5, 1.3, 1,0, 0,8, 0,6, 0,5. Такие угловые значения соответствуют разрешающей способности современной оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования высокого разрешения.Evaluation of the limiting resolving power of optoelectronic equipment for remote sensing with the participation of an experienced operator is carried out on the image on the screen of a digital image, for example, the Platon crater, inside of which there are many smaller craters on a flat bottom. An image of Plato crater is shown in Fig. 11. This image shows the dimensions of several small craters. The angular size of these craters when viewed from Earth (mean distance 384,400 km) will be in ang. sec. - 1.5, 1.3, 1.0, 0.8, 0.6, 0.5. Such angular values correspond to the resolving power of modern high-resolution optoelectronic remote sensing equipment.

Линейное разрешение на местности (ЛРМ) аппаратуры дистанционного зондирования при съемке земной поверхности определяется по формуле:Linear ground resolution (LRM) of remote sensing equipment when surveying the earth's surface is determined by the formula:

Figure 00000014
Figure 00000014

где: ψ - предельное угловое разрешение аппаратуры дистанционного зондирования,where: ψ is the limiting angular resolution of remote sensing equipment,

Норб - высота орбиты КА.H orb - spacecraft orbital altitude.

Высота орбиты определяется как: Норб=Rop6-R3, где Rop6 - радиус орбиты (для круговой орбиты), RЗ - средний радиус Земли.The orbital altitude is defined as: H orb = R op6 -R 3 , where R op6 is the radius of the orbit (for a circular orbit), R 3 is the average radius of the Earth.

Для вычисления углового разрешения оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования по объектам на поверхности Луны необходимо иметь исходные данные: эталонное изображение поверхности Луны с высоким разрешением и с известным масштабом, подробную карту Луны с географической сеткой, положение КА на орбите Земли и положение Луны на момент съемки. Схема взаимного положения КА и Луны приведена на фиг. 12.To calculate the angular resolution of optoelectronic remote sensing equipment for objects on the lunar surface, it is necessary to have the initial data: a reference image of the lunar surface with a high resolution and with a known scale, a detailed map of the lunar with a geographic grid, the position of the spacecraft in Earth's orbit and the position of the moon at the time of the survey ... A diagram of the relative position of the spacecraft and the Moon is shown in Fig. 12.

Визуально определяют минимальный разрешаемый объект на тестовом снимке и с помощью подробной карты Луны с масштабной сеткой, определяют линейные размеры выбранного объекта Δ [км]. Затем вычисляют угловой размер выбранного объекта при наблюдении его из точки А на орбите КА по формуле:Visually determine the minimum resolvable object on the test image and, using a detailed map of the Moon with a scale grid, determine the linear dimensions of the selected object Δ [km]. Then the angular size of the selected object is calculated when observing it from point A in the spacecraft orbit using the formula:

Figure 00000015
Figure 00000015

Далее по формуле (11) вычисляют ЛРМ.Further, by the formula (11) calculate the LRM.

Пример вычисления ЛРМ для оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования по следующим исходным данным:An example of calculating LRM for optical-electronic equipment for remote sensing according to the following initial data:

Lcp=384400 км, Δ=0,94 км.L cp = 384400 km, Δ = 0.94 km.

Подстановка этих значений в формулу (12) дает значение углового размера выбранного кратера при наблюдении из точки А: ψΔ=0,52''.Substitution of these values into formula (12) gives the value of the angular size of the selected crater when observed from point A: ψ Δ = 0.52 ''.

Значение ЛРМ для оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования, рассчитанное по формуле (11) для Норб=600 км составляет:The LRM value for the optical-electronic equipment for remote sensing, calculated by the formula (11) for H orb = 600 km, is:

ЛРМ=1,51 м.LRM = 1.51 m.

Предлагаемый в настоящей заявке способ может быть использован для определения/проверки разрешающей способности как для эксплуатируемых, так и вновь разрабатываемых систем дистанционного зондирования.The method proposed in this application can be used to determine / check the resolution for both operational and newly developed remote sensing systems.

Claims (1)

Способ определения разрешающей способности оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования, основанный на сканировании подстилающей поверхности для формирования цифрового изображения объектов на фоточувстительных матрицах и последующей его обработки, отличающийся тем, что предварительно путем разворота космического аппарата производят наведение оптической оси на точку небесной сферы в окрестности Луны, затем выполняют программные развороты космического аппарата и сканирование поверхности Луны полем зрения оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования, при котором направление смещения изображения поверхности Луны на фоточувствительных матрицах совпадает с направлением переноса зарядовых пакетов в фоточувстительных матрицах, причем тактовая частота переноса зарядовых пакетов должна быть синхронизирована с угловой скоростью программных разворотов космического аппарата, а при обработке полученного изображения, по размытию границ на изображении поверхности Луны, определяют частотно-контрастную характеристику, и по ней для заданного контраста и известных конструктивных параметров аппаратуры, определяют разрешающую способность.A method for determining the resolving power of optical-electronic equipment for remote sensing, based on scanning the underlying surface to form a digital image of objects on photosensitive matrices and its subsequent processing, characterized in that the optical axis is previously directed to a point in the celestial sphere in the vicinity of the Moon by turning the spacecraft, then the programmed turns of the spacecraft and scanning of the lunar surface are performed by the field of view of the optical-electronic equipment for remote sensing, in which the direction of the displacement of the image of the lunar surface on the photosensitive matrices coincides with the direction of transfer of the charge packets in the photosensitive matrices, and the clock frequency of the transfer of the charge packets must be synchronized with the angular the speed of the programmed turns of the spacecraft, and when processing the resulting image, by blurring the boundaries on the image of the lunar surface, determine The frequency-contrast characteristic is determined, and from it for a given contrast and known design parameters of the equipment, the resolution is determined.
RU2019131946A 2019-10-09 2019-10-09 Method of determining resolution of optical-electronic equipment for remote probing RU2730101C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019131946A RU2730101C1 (en) 2019-10-09 2019-10-09 Method of determining resolution of optical-electronic equipment for remote probing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019131946A RU2730101C1 (en) 2019-10-09 2019-10-09 Method of determining resolution of optical-electronic equipment for remote probing

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2730101C1 true RU2730101C1 (en) 2020-08-17

Family

ID=72086379

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019131946A RU2730101C1 (en) 2019-10-09 2019-10-09 Method of determining resolution of optical-electronic equipment for remote probing

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2730101C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003056392A1 (en) * 2001-12-24 2003-07-10 Koninklijke Philips Electronics N.V. Determining the aberrations of an imaging system
DE102016212477A1 (en) * 2016-07-08 2018-01-11 Carl Zeiss Smt Gmbh Measuring method and measuring system for the interferometric measurement of the imaging quality of an optical imaging system
RU2673502C1 (en) * 2017-11-24 2018-11-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС") Method of automatic determination of parameters of optical electronic systems and compound test object for its implementation with arbitrary configuration of component elements with different spatial frequency
RU2673501C1 (en) * 2017-11-24 2018-11-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС") Method of automatic determination of parameters of optical-electronic systems and composite test object for its implementation with arbitrary configuration of component elements with single spatial frequency

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003056392A1 (en) * 2001-12-24 2003-07-10 Koninklijke Philips Electronics N.V. Determining the aberrations of an imaging system
DE102016212477A1 (en) * 2016-07-08 2018-01-11 Carl Zeiss Smt Gmbh Measuring method and measuring system for the interferometric measurement of the imaging quality of an optical imaging system
RU2673502C1 (en) * 2017-11-24 2018-11-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС") Method of automatic determination of parameters of optical electronic systems and compound test object for its implementation with arbitrary configuration of component elements with different spatial frequency
RU2673501C1 (en) * 2017-11-24 2018-11-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС") Method of automatic determination of parameters of optical-electronic systems and composite test object for its implementation with arbitrary configuration of component elements with single spatial frequency

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Delacourt et al. Remote-sensing techniques for analysing landslide kinematics: a review
Esposito et al. Multitemporal monitoring of a coastal landslide through SfM‐derived point cloud comparison
AU2006205802B2 (en) Method and geodetic device for surveying at least one target
US6208938B1 (en) Apparatus and method for monitoring and reporting weather conditions
WO2008045014A2 (en) Daytime stellar imager
Gilham et al. Detection and analysis of mass wasting events in chalk sea cliffs using UAV photogrammetry
Cramer et al. Ultra-high precision UAV-based LIDAR and dense image matching
Tommaselli et al. Development and assessment of a data set containing frame images and dense airborne laser scanning point clouds
Kartashova et al. Investigation of the Ozerki meteoroid parameters
RU2730101C1 (en) Method of determining resolution of optical-electronic equipment for remote probing
RU2310884C1 (en) Method for simulation of ground object at radar surveillance
JP7241906B2 (en) Data processing device and data processing method
Spore et al. Collection, processing, and accuracy of mobile terrestrial lidar survey data in the coastal environment
Gupta et al. Digital elevation model
Dai et al. Improving UAV‐SfM photogrammetry for modelling high‐relief terrain: Image collection strategies and ground control quantity
Zhou et al. Satellite photograph mosaics of Greenland from the 1960s era
Jaud et al. Method for orthorectification of terrestrial radar maps
Pesci et al. Resolution and Precision of Fast Long-Range Terrestrial Photogrammetric Surveying Aimed at Detecting Slope Changes
Dinkov A Low Cost Method UAV-PPK-Accuracy and Application
Legat et al. Exploring the potential of aerial photogrammetry for 3d modelling of high-alpine environments
Celms et al. Possibilities of use of remote sensing technology in survey process in the territory of Pils Island in Jelgava
Koopmans Variable flight parameters for SLAR
Kayen et al. Terrain and Infrastructure Monitoring Across the Electromagnetic Spectrum
Jaud et al. Correcting topography effects on terrestrial radar maps
Thomas Aerial Photography