Система координат оптико-механического сканера.
Изображение строки в оптико-механическом сканере формируется за счет вращения зеркала, а строки – за счет перемещения носителя съемочной системы. Таким образом, каждый пиксель изображения имеет свои элементы внешнего ориентирования.
Ө – угол поля зрения сканера.
Началом системы координат сканера является точка S – точка пересечения оси вращения зеркала и главной оптической оси объектива. Ось x z совпадает с биссектрисой угла поля зрения съемочной системы. Ось y дополняет систему до правой.
Система координат сканерного изображения задается также как и для оптико-электронного сканера, т.е. ось y с совпадает c одной из строк изображения, начало системы координат о находится в середине строки, а ось x с – дополняет систему до правой.
По измеренным координатам точки изображенияx с y с можно получить время формирования изображения данного пикселя, а следовательно и элементы внешнего ориентирования сканера в этот момент.
Направление на точку местности М (рис.10) в системе координат сканера определяет единичный вектор r m , координаты которого можно определить следующим образом:
(18)
- размер кадра в пикселях вдоль оси y .
Определение координат точек местности по изображениям, полученным с помощью оптико-механического сканера выполняется аналогично тому, как это делалось для изображений, полученных оптико-электронным сканером.
Принцип действия лазерно-локационных съемочных систем
Лазерно-локационная съемочная система по принципу действия напоминает оптико-механический сканер, только вместо диафрагмы имеется лазер, с помощью которого сканируется (облучается) поверхность земли (рис.11). Таким образом, эта съемочная система относится к активным системам. Лазерный луч с определенной частотой посылается в сторону поверхности земли, который возвращается в съемочную систему и фиксируется в приемнике излучения в виде интенсивности отраженного сигнала. Кроме того, фиксируется время прохождения лазерного луча от лазера до поверхности земли и обратно до приемника излучений, что позволяет определить расстояние D до данной точки земли. Фиксируя угол поворота зеркала φ можно определить координаты точки поверхности земли в системе координат сканера Sxyz , а зная элементы внешнего ориентирования сканера в этот момент, можно вычислить координаты этой точки в системе координат объекта OXYZ . Таким образом, результатом работы лазерного сканера является трехмерная модель снимаемого объекта в виде облака точек с известными координатами XYZ и интенсивностью отраженного сигнала.
Система координат лазерного сканера задается следующим образом (рис.11). Начало системы S совпадает с точкой пересечения оси вращения зеркала и оптической осью системы. Ось x совпадает с осью вращения зеркала. Ось z проходит через центр проекции S и совпадает с биссектрисой угла поля зрения сканера Ө . Ось у дополняет систему до правой. Положительное направление оси x совпадает с направлением полета.
Координаты вектора SM в системе координат сканера определяют как:
(19)
Если известны элементы внешнего ориентирования , лазерного сканера в момент измерения наклонного расстояния D , то координаты точки М в системе координат объекта можно определить по известным формулам:
(20)
Элементы внешнего ориентирования , лазерного сканера во время съемки определяются с помощью навигационного комплекса в составе дифференциальной GPS- системы и инерциальной системы.
Принцип формирования радиолокационных изображений.
Системы координат.
На рис.12 показан принцип радиолокационной съемки. Короткий импульс от передатчика, расположенного на носителе (самолете или спутнике), излучается в вертикальной плоскости с помощью направленной антенны. При достижении поверхности земли волна отражается. Часть отраженной энергии возвращается к приемнику, установленному на том же месте, что и передатчик. Принятая энергия квантуется. В результате получаются сигналы, пропорциональные принятой в данный момент энергии, зависящей от отражающей способности определенного участка местности. Одновременно измеряются наклонные дальности от передатчика до каждого из элементарных участков местности. Эти элементарные участки местности определяют разрешение съемочной системы. Таким образом, плотность пикселя радиолокационного изображения зависит от интенсивности отраженного радиосигнала от соответствующей точки объекта, а положение пикселя вдоль строки пропорционально наклонной дальности до данной точки. Строки изображения формируются за счет движения носителя.
Если расстояния до точек объекта равны между собой (D 1 и D 2 на рис. 13), то эти разные точки объекта изобразятся в одной точке на снимке. Диапазон измеряемых расстояний и соответственно полоса обзора определяются параметрами съемочной системы и лежат в пределах D o и D к начальной и конечной измеряемых дальностей.
Чтобы увеличить захват местности (полосу обзора), нужно увеличить время от начала посыла импульса до их приема.
Система координат радиолокационного изображения задается следующим образом. Ось y c совпадает с одной из строк изображения. Начало системы координат о совпадает с точкой соответствующей начальной дальности D o , которая фиксируется в момент съемки. Ось x c дополняет систему до правой.
Таким образом, измерив координатуy c любой точки изображения можно узнать наклонную дальность до этой точки.
где k – масштабный коэффициент, который определяется в результате калибровки системы.
Система координат самой радиолокационной системы задается следующим образом (рис.15).
Начало системы координат совпадает с точкой излучения радиоимпульса. Оси y,z лежат в плоскости излучения импульсов. Ось x дополняет систему до правой.
Плоскость излучения радиоимпульсов может быть произвольно ориентирована в пространстве
Сканирующие системы появились в середине 70-х годов и к концу 80-х почти полностью вытеснили традиционные фотографические и телевизионные системы. Сегодня они являются основными поставщиками данных ДЗЗ при решении задач природно-ресурсного и экологического мониторинга.
В общих чертах механизм сканирования заключается в следующем. На спутнике имеется сканер, который оснащён фотоэлектрическим или термоэлектрическим приёмником. В этот приёмник попадает отражённое излучение с некоторого участка земной поверхности. Приёмник генерирует электрический сигнал, зависящий от интенсивности излучения. Величина сигнала фиксируется в памяти устройства, а датчик начинает принимать сигнал со следующего участка земной поверхности. Таким образом, участок за участком, начинает формироваться изображение. Каждый такой участок земной поверхности, отражение от которого было одномоментно зарегистрировано датчиком, на снимке отображается в виде пиксела – наименьшего неделимого элемента изображения. На каждом пикселе отражается осреднённое значение яркости всех объектов, попавших в пределы данного пиксела. Таким образом, чем меньше размер пиксела, тем качественнее изображение можно получить на снимке, так как становится возможным отображение более мелких объектов.
Сканерные системы дистанционного зондирования бывают двух видов – оптико-механические (делятся на линейные и поперечные) и оптико-электронные (продольные и планарные).
В линейных сканерах (для съёмки всей сцены используется один-единственный детекторный элемент
Рисунок 1 – Линейный оптико-механический сканер
В сканерах этого типа установлено зеркало, которое качается из стороны в сторону поперёк направления движения спутника. На зеркало последовательно попадает отраженное излучение от разных участков поверхности вдоль строки, а с зеркала оно уже попадает на детектор. Дойдя до крайней точки строки зеркало начинает вращаться в обратную сторону, считывая следующую строку (спутник за это время пролетел расстояние, соответствующее одной строке пикселов). Таким образом, строка за строкой изображение наращивается. Колебание зеркала поперек маршрута съемки реализует строки изображения, а благодаря движению носителя происходит накопление строк и формируется полное изображение снимка, имеющее строчно-сетчатую поэлементную структуру.
Другой разновидностью линейных сканеров является сканер, в котором зеркало не качается из стороны в сторону, а вращается всегда в одном направлении вокруг своей оси, в диапазоне 360 градусов. Здесь датчик считывает сигнал вдоль строки, а затем, пока датчик делает вокруг своей оси, спутник продвигается на некоторое расстояние вперёд и датчик вновь начинает считывать следующую строку в том же направлении. За одну секунду осуществляется около 7 таких циклов.
В поперечных ПЗС-сканерах , например, сканер TM (Thematic Mapper) спутника Landsat-5, используется линейка детекторов, расположенных вдоль маршрута съёмки. Такая линейка называется линейка ПЗС (прибор с зарядовой связью; название отражает способ считывания электрического потенциала методом сдвига заряда от элемента к элементу). В результате, при каждом цикле движения зеркала все детекторные элементы осуществляют параллельное сканирование земной поверхности. Как и для линейных сканеров, движение датчика может осуществляться из стороны в сторону, когда следующая строка считывается в противоположном направлении, либо вокруг своей оси.
Основным недостатком устройств такого типа является наличие механического сканирующего зеркала, ограничивающего точность географической привязки получаемых изображений и снижающего долговечность и надежность устройства в целом. В оптико-электронных камерах на приборах с зарядовой связью (ПЗС), получивших наименование «push-broom scanner», элементы с механическим сканированием не используются. Строка изображения в одном спектральном диапазоне формируется при помощи линейной матрицы (линейки) детекторов на ПЗС, ориентированной перпендикулярно направлению полета спутника.
Продольные ПЗС-сканеры оснащены ПЗС-линейкой, состоящей из тысяч детекторных элементов, расположенных поперёк маршрута. В результате параллельное сканирование всего набора данных происходит просто за счёт движения платформы по орбите.
Планарный ПЗС представляет собой матрицу датчиков, аналогично матрице в обычном цифровом фотоаппарате. Необходимо обеспечить достаточное время, чтобы определенное количество фотонов попало на датчик. Если датчик находится в движении относительно цели, то применяется пошаговое формирование изображения, чтобы предотвратить размывание.
Независимо от типа сканирующей системы полный угол сканирования поперек маршрута съемки называется углом обзора , а соответствующая величина на поверхности Земли шириной полосы съемки (другое название - ширина полосы охвата ). Расстояние на земной поверхности, соответствующее расстоянию между центрами соседних пикселов, называется наземным интервалом дискретизации (другое название – наземный шаг сканирования ). Наземные интервалы дискретизации вдоль и поперек маршрута съемки определяются соответствующими частотами дискретизации, а также скоростью движения платформы. На практике частоту дискретизации обычно подбирают так, чтобы величина наземного интервала дискретизации была равна размеру мгновенного поля обзора, то есть ширине проекции одного детекторного элемента на земную поверхность (рис. 2 и 3). Таким образом, мгновенные поля обзора соседних пикселов примыкают друг к другу как в продольном, так и в поперечном направлении. Наземный интервал дискретизации вдоль маршрута съемки определяется скоростью платформы и либо частотой дискретизации (для продольных ПЗС-сканеров), либо скоростью сканирования (для линейных и поперечных ПЗС-сканеров), которые подбираются так, чтобы соответствовать мгновенному полю обзора в надире. Использование в некоторых системах более высокой частоты поперечной дискретизации приводит к наложению мгновенных полей обзора и, как следствие, к некоторому улучшению качества данных. Такой метод «избыточного сканирования» применяется, в частности, в съемочных системах Landsat MSS и AVHRR KLM.
Рисунок 2 – Простейшая геометрическая схема расположения детекторного элемента в фокальной плоскости датчика
Рисунок 3 – Связь между проекцией мгновенного поля обзора и интервалом дискретизации для типовых сканеров и для приборов MSS и AVHRR
Наземный интервал дискретизации GSI определяется высотой расположения платформы Н, фокусным расстоянием f и междетекторным интервалом (или, как было отмечено выше, пространственной частотой дискретизации). Если частота дискретизации равна одному пикселу на один междетекторный интервал, наземный интервал в надире , то есть непосредственно под датчиком, задаётся простой формулой:
Где m = f/H – коэффициент геометрического увеличения, а величина междетекторного интервала обычно равна ширине детекторного элемента w .
Мгновенное поле обзора GIFOV зависит от величин H, f и w аналогичным образом. При этом следует заметить, что инженеры-разработчики систем дистанционного зондирования предпочитают использовать в своих расчётах другой параметр – величину мгновенного угла обзора IFOV, равную углу, который образует детекторный элемент с осью оптической системы (рисунок 2). Это обусловлено тем, что IFOV является величиной постоянной и не зависит от рабочей высоты датчика.
Данные, получаемые при помощи оптических датчиков с высоким пространственным разрешением, используются при решении большого числа тематических задач, включая, например, измерение протяженности и классификация растительного покрова, определение состояния сельскохозяйственных культур, геологическое картирование, контроль эрозии почв в береговой зоне и т.д. Однако область применимости этих данных несколько ограничивается тем, что получение качественных оптических снимков возможно только на освещенной части поверхности Земли в ясную, безоблачную погоду.
Изобретение относится к технике получения изображения контролируемых объектов с помощью оптико-электронных систем с оптико-механической разверткой. Цель изобретения - улучшение качества передачи изображения путем увеличения числа строк разложения в кадре и повышение быстродействия. Изобретение позволяет повысить число строк в кадре при малом числе граней зеркального многогранника. На основе способа может быть создано малогабаритное сканирующее устройство с телевизионной частотой кадров и повышенным числом строк в кадре. Способ заключается в том, что осуществляют развертку одновременно М-параллельных элементарных строк, расположенных вплотную друг к другу, вторую кадровую развертку осуществляют непрерывной с угловой скоростью к2 =pMd э F к в пределах угла 2 первую кадровую развертку производят с шагом 2=M(p-s-1/N)d э а отношение углов устанавливают из условия 
, при этом число активных строк в кадре определяют из соотношения: z= M, где (m-1) - целое число крайних в растре М-строчных подкадров, во время которых производится обратный ход второй кадровой развертки, m= 1,2,3. ..; d э - угловая ширина строки; s - целое число пассивных перемежающихся полей в кадре, во время которых осуществляется обратный ход второй кадровой развертки, s=0,1,2...; с - КПД строчной развертки; к - угол обзора по кадру. Устройство, реализующее данный способ, содержит зеркальное N-гранное зеркало 1 с разным наклоном граней к его оси вращения, плоское зеркало 2, объектив 3 и М-элементный приемник 4 излучения. Пирамида 1 осуществляет строчную развертку и дискретную с шагом 2= =M(p-s-1/N)d э и частотой pF k первую кадровую развертку N-подкадров по М-элементарных строк, плоское зеркало 2 осуществляет вторую кадровую развертку с угловой скоростью w к2 = pMd э F k частотой F k кадров.
Изобретение относится к технике получения изображения контролируемых объектов с помощью оптико-электронных систем с оптико-механической разверткой. Цель изобретения улучшение качества передачи изображения путем увеличения числа строк разложения в кадре и повышение быстродействия. На чертеже представлена оптическая схема устройства, реализующего предложенный способ. Устройство для осуществления предложенного способа содержит зеркальное N-гранное зеркало 1 с разным наклоном граней к его оси вращения, плоское зеркало 2, объектив 3 и М-элементный приемник 4 излучения. Грани N-гранного зеркала 1 наклонены к оси вращения в соответствии с формулой к = o +k, где o наименьший из углов наклона граней к оси, k=0,1,2,3.N-1, шаг в угловом расположении многогранников. Чувствительные элементы приемника 4 излучения расположены в виде линейки, проекция которой в плоскость предметов перпендикулярна к направлению строчной развертки. Устройство работает следующим образом. Поток излучения от объекта, отразившись от зеркальной грани N-гранного зеркала 1, попадает на плоское зеркало 2 второй кадровой развертки. После отражения от зеркала 2 этот поток фокусируется объективом 3 на чувствительные элементы приемника 4 излучения, являющегося преобразователем изменений потока излучения в электрический сигнал. Предложенный способ оптико-механического сканирования обеспечивает Z= M cтрок разложения в кадре. По сравнению с аналогом число Z строк увеличивается примерно в (p-s) раз без увеличения числа граней N многогранного зеркала, а по сравнению с прототипом число Z строк увеличивается примерно в М раз. При этом обеспечивается достаточный промежуток времени для обратного хода второй кадровой развертки. Упрощается также осуществление второй кадровой развертки, так как она является непрерывной, а не шаговой. При заданном числе Z строк, варьируя величины M, p, s и m, можно определить оптимальное число подкадров в перемещающихся полях, которое осуществляется при минимальных габаритах и массе сканирующего устройства. Повышение быстродействия по сравнению с прототипом заключается в уменьшении, примерно в М раз, числа p перемещающихся полей в кадре (во столько же раз уменьшается число оборотов N-гранного зеркала). Повышение быстродействия достигается также за счет упрощения реализации второй кадровой развертки, ввиду ее непрерывного характера на рабочем участке и достаточного промежутка времени для обратного хода, для которого используется время s-пассивных перемещающихся полей в кадре, время m-1 крайних в растре подкадров, а также промежуток между двумя последовательными во времени активными участками строчной развертки. По сравнению с аналогом, примерно в N раз уменьшается амплитуда угла отклонения по кадру и в N раз уменьшается угловая скорость качания плоского зеркала. На основе предложенного решения может быть создано малогабаритное сканирующее оптико-механическое устройство с телевизионной частотой кадров и повышенным числом строк в кадре.
Формула изобретения
Способ оптико-механического сканирования, заключающийся в том, что осуществляют строчную развертку кадра с частотой pNF k , где р целое число перемежающихся полей в кадре, N количество подкадров в каждом поле, F k кадровая частота, дискретную первую кадровую развертку с частотой pF k , числом (N-1) шагов и шагом 2, а также вторую кадровую развертку с частотой F k в пределах угла 2, обеспечивающего заполнение строками кадра, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества передачи изображения путем увеличения числа строк разложения в кадре и повышения быстродействия, осуществляют развертку одновременно М-параллельных элементарных строк, расположенных вплотную друг к другу, вторую кадровую развертку осуществляют непрерывно с угловой скоростью w k2 = pMd э F k в пределах угла 2 первую кадровую развертку производят с шагом 2 = M(p-s-1/N), а отношение углов устанавливают из условия 
при этом число активных строк в кадре определяют из соотношения Z M где (m 1) целое число крайних в растре М-строчных подкадров, во время которых производится обратный ход второй кадровой развертки, m 1,2,3, d э угловая ширина строки; s целое число пассивных перемежающихся полей в кадре, во время которых осуществляется обратный ход второй кадровой развертки, s 0,1,2, c КПД строчной развертки; к угол обзора по кадру.
Изобретение относится к области приборов, предназначенных для преобразования электромагнитного излучения в электрический сигнал, несущий информацию об изображении, при размещении этих приборов на подвижном основании
Изобретение относится к области формирования потока видеоданных вращающимся секторным фотоприемником. Способ основан на формировании сигналов от фоточувствительных элементов, установленных по площади вращающегося сенсора, их последующей организации в ядра пространственного дифференцирования, выходные сигналы которых подвергаются аналого-цифровому преобразованию и их дальнейшей цифровой обработке. Фоточувствительные элементы устанавливают последовательно на равных расстояниях между собой на дугах с дискретными радиусами от Rmin до Rmax на площади вращающегося сенсора, имеющему форму усеченного сектора круга, который обращен большей стороной к внешнему диаметру вращения. Фототоки от фоточувствительных элементов усиливают по постоянному току и ограничивают по полосе частот в зависимости от чувствительности фотоэлементов и частоты вращения сенсора. Собственные шумы минимизируют и корректируют амплитудно-частотные характеристики каналов передачи сигналов каждого фоточувствительного элемента с последующим формированием ядер пространственного дифференцирования, сигналы с которых подвергают аналогово-цифровому преобразованию и последующей цифровой обработке. Технический результат - повышение качества изображения. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к технике получения изображения контролируемых объектов с помощью оптико-электронных систем с оптико-механической разверткой
Введение
Дистанционное зондирование является методом получения информации об объекте или явлении без непосредственного физического контакта с данным объектом. Дистанционное зондирование является подразделом географии. В современном понимании, термин в основном относится к технологиям воздушного или космического зондирования местности с целью обнаружения, классификации и анализа объектов земной поверхности, а также атмосферы и океана, при помощи распространяемых сигналов (например, электромагнитной радиации). Разделяют на активное (сигнал сначала излучается самолетом или космическим спутником) и пассивное дистанционное зондирование (регистрируется только сигнал других источников, например, солнечный свет). Пассивные сенсоры дистанционного зондирования регистрируют сигнал, излучаемый или отраженный объектом либо прилегающей территорией. Отраженный солнечный свет – наиболее часто используемый источник излучения, регистрируемый пассивными сенсорами. Примерами пассивного дистанционного зондирования являются цифровая и пленочная фотография, применение инфракрасных, приборов с зарядовой связью и радиометров.
Активные приборы, в свою очередь, излучают сигнал с целью сканирования объекта и пространства, после чего сенсор имеет возможность обнаружить и измерить излучение, отраженное или образованное путём обратного рассеивания целью зондирования. Примерами активных сенсоров дистанционного зондирования являются радар и лидар, которыми измеряется задержка во времени между излучением и регистрацией возвращенного сигнала, таким образом определяя размещение, скорость и направление движения объекта. Дистанционное зондирование предоставляет возможность получать данные об опасных, труднодоступных и быстродвижущихся объектах, а также позволяет проводить наблюдения на обширных участках местности. Примерами применения дистанционного зондирования может быть мониторинг вырубки лесов (например, в бассейне Амазонки), состояния ледников в Арктике и Антарктике, измерение глубины океана с помощью лота. Дистанционное зондирование также приходит на замену дорогостоящим и сравнительно медленным методам сбора информации с поверхности Земли, одновременно гарантируя невмешательство человека в природные процессы на наблюдаемых территориях или объектах. При помощи орбитальных космических аппаратов ученые имеют возможность собирать и передавать данные в различных диапазонах электромагнитного спектра, которые, в сочетании с более масштабными воздушными и наземными измерениями и анализом, обеспечивают необходимый спектр данных для мониторинга актуальных явлений и тенденций, таких как Эль-Ниньо и другие природные феномены, как в кратко-, так и в долгосрочной перспективе. Дистанционное зондирование также имеет прикладное значение в сфере геонаук (к примеру, природопользование), сельском хозяйстве (использование и сохранение природных ресурсов), национальной безопасности (мониторинг приграничных областей).
Обзор основных приборов дистанционного зондирования
Радары, в основном, применяются в системах контроля воздушного трафика, раннего оповещения, мониторинга лесного покрова, сельском хозяйстве и для получения метеорологических данных большого масштаба. Радар Допплера используется правоохранительными организациями для контроля скоростного режима автотранспорта, а также для получения метеорологических данных о скорости и направлении ветра, местоположении и интенсивности осадков. Другие типы получаемой информации включают в себя данные об ионизированном газе в ионосфере. Интерферометрический радар искусственной апертуры используется для получения точных цифровых моделей рельефа больших участков местности.
Лазерные и радиолокационные высотомеры на спутниках обеспечивают получение широкого спектра данных. Измеряя отклонения уровня воды океана, вызванные гравитацией, данные приборы отображают особенности рельефа морского дна с разрешением порядка одной мили. Измеряя высоту и длину волны океанских волн при помощи высотомеров, можно узнать скорость и направление ветра, а также скорость и направление поверхностных океанических течений.
Ультразвуковые (акустические) и радиолокационные датчики используются для измерения уровня моря, приливов и отливов, определения направления волн в прибрежных морских регионах.
Технология светового обнаружения и определения дальности (ЛИДАР) хорошо известна своим применением в военной сфере, в частности, в лазерной навигации снарядов. ЛИДАРЫ используется также для обнаружения и измерения концентрации различных химических веществ в атмосфере, в то время как ЛИДАР на борту самолета может быть использован для измерения высоты объектов и явлений на земле с большей точностью, чем та, которая может быть достигнута при помощи радиолокационной техники. Дистанционное зондирование растительности также является одним из основных применений ЛИДАРа.
Радиометры и фотометры являются наиболее распространенными используемыми инструментами. Они фиксируют отраженное и испускаемое излучение в широком диапазоне частот. Наиболее распространенными являются датчики видимого и инфракрасного диапазонов, затем идут микроволновые, датчики гамма-лучей и, реже, датчики ультрафиолета. Эти приборы также могут быть использованы для обнаружения эмиссионного спектра различных химических веществ, предоставляя данные об их концентрации в атмосфере.
Стереоизображения, полученные при помощи аэрофотосъёмки часто используются при зондировании растительности на поверхности Земли, а также для построения топографических карт при разработке потенциальных маршрутов путём анализа изображений местности, в сочетании с моделированием особенностей окружающей среды, полученных наземными методами.
Мультиспектральные платформы, такие как Landsat активно использовались начиная с 70-х годов. Эти приборы использовались для построения тематических карт путём получения изображений в нескольких длинах волн электромагнитного спектра (мульти-спектра) и, как правило, они применяются на спутниках наблюдения за Землей. Примерами таких миссий являются в том числе программа Landsat или спутник IKONOS. Карты растительного покрова и землепользования, полученные методом тематического картографирования могут быть использованы для разведки полезных ископаемых, обнаружения и мониторинга использования земель, вырубки лесов, и изучения здоровья растений и сельскохозяйственных культур, в том числе огромных участков сельскохозяйственных земель или лесных массивов. Космические снимки программы Landsat используются регулирующими органами для контроля параметров качества воды, включая глубину Секки, плотность хлорофилла и общее содержание фосфора. Метеорологические спутники используются в метеорологии и климатологии.
Методом спектральной визуализации получают изображения, в которых каждый пиксель содержит полную спектральную информацию, отображая узкие спектральные диапазоны в пределах непрерывного спектра. Приборы спектральной визуализации используются для решения различных задач, в том числе применяются в минералогии, биологии, военном деле, измерениях параметров окружающей среды.
В рамках борьбы с опустыниванием, дистанционное зондирование позволяет наблюдать за областями, которые находятся в зоне риска в долгосрочной перспективе, определять факторы опустынивания, оценивать глубину их воздействия, а также предоставлять необходимую информацию лицам, ответственным за принятие решений по принятию соответствующих мер охраны окружающей среды.
Достоинства современных космических ДДЗ высокого разрешения:
Высокое пространственное разрешение – не хуже 1 м в панхроматическом режиме
Высокое радиометрическое разрешение – не менее 11 бит на пиксел в панхроматическом режиме
Наличие 4 спектральных каналов, в том числе 1 инфракрасного
Возможность получения стереосъемки
Возможность обновления картографического материала масштаба не хуже 1:5000
Периодичность получения данных на одну и ту же область на земной поверхности - 1-5 дней в зависимости от широты
Возможность заказа области произвольной формы, в т.ч. съемка протяженных объектов
Возможность получения «перспективной» съемки с отклонением от надира до 45 градусов
Большой архив – миллионы полученных снимков
Оперативность: возможность начала съемки в течение 1 дня с момента размещения заказа
Простота размещения заказа – нет необходимости получения разрешения от государственных организаций на проведение съемки
Простота обработки: заказчик получает данные, готовые для использования в ГИС.
Оптико-электронный тип съемки
Оптико-электронный (ОЭ) способ относится к невидимому диапазону съемки (нефотографическому). Ему всего несколько десятилетий существования. Необходимость оперативной передачи материалов съемки из космоса привела к интенсивному его развитию, а также к сканерных съемочных систем. При значительном разнообразии конструктивных решении они основаны на общем принципе.
Принцип сканерной съемки заключается в поэлементном считывании вдоль узкой полосы отраженного земной поверхностью излучения, а развертка изображения идет за счет движения носителя, поэтому оно принимается непрерывно.
Используются следующие виды съемок: маршрутная, площадная, конвергентная (стереосъемка) и протяженного объекта (рис. «Схемы ОЭ съемки»).
Излучение, поступившее от источника с Земли, преобразуется на носителе (самолете или ИСЗ) в электрический сигнал, затем в виде радиосигнала сбрасывается на наземную приемную станцию, где снова преобразуется в электрический сигнал и фиксируется на магнитных носителях. При такой съемке появляется возможность в течение длительного времени непрерывно и оперативно получать информацию (в режиме реального времени или с задержкой на несколько часов) и передавать ее на приемную станцию.
Разрешение при оптико-электронном способе сканирования бывает:
· сверхвысокое,
· высокое,
· среднее,
· низкое.
Первые сканирующие системы для съемки в оптическом диапазоне спектра имели разрешение 1-2 км, но их совершенствование идет очень быстро, и в настоящее время достигнуто разрешение в несколько метров.
Сканерная съемка чаще выполняется в многозональном варианте. Большинство сканеров, работающих в оптическом диапазоне, имеют три одинаковых канала:
· 0,5-0,6 мкм;
· 0,6-0,7 мкм;
· 0,8-1,1 мкм.
К ним в разных конструкциях добавляются каналы в других участках спектра:
в ближнем инфракрасном,
в тепловом инфракрасном,
панхроматический канал, обеспечивающий получение снимков с более высоким разрешением.
В последние годы появилась тенденция создания гиперспектральньх съемочных систем, ведущих съемку в 10 и более каналах.
Достоинство оптико-электронный съемки. Это их дискретный характер, благодаря чему снимки могут быть представлены:
В виде цифровой записи на магнитной ленте
В виде фотоизображения (фотоснимки).
Похожая информация.
15.4-16+isp_pages.doc
Термоэлектрическое охлаждение
I
Пр-к I
Термоэлектрический эффект Пелтье состоит в поглощении или выделении тепла на спае двух различных металлов или полупроводников, когда по этим проводникам протекает электрический ток. Если Е 1 и Е 2 термоэдс первого и второго спаев, то количество тепла, получаемого на спае при температуре Т(К) выражается формулой: Q=(Е 1 - Е 2)xTxI.
Q
Один каскад конструкции на основе Bi 2 Te 3 позволяет получить температуру
(-30)С, два каскада (-75), шесть (-100)
^ Сканирующие системы
Для преобразования многомерного оптического сигнала в одномерный электрический, адекватную информацию о распределении параметров оптического сигнала, в ОЭП используется сканирование – процесс последовательной, непрерывной или дискретной, выборки значений оптического сигнала. Наиболее часто в ОЭП выполняется преобразование пространственного распределения потока излучения в видеосигнал. Поэтому процесс сканирования в этом случае есть последовательный просмотр сравнительно большого поля обзора малым мгновенным полем.
Важной функцией сканирования является повышение помехозащищенности ОЭП. Действительно, применение малого мгновенного поля зрения при обзоре большого пространства, содержащего малоразмерный объект на фоне помех, безусловно более предпочтительно, чем выполнение той же операции прибором с большим полем зрения.
Сканирующие системы могут быть классифицированы различным образом:
по способу разложения поля обзора (одноэлементное, параллельное, последовательное, комбинирование).
по физической сущности явлений, лежащих в основе работы сканирующей системы (механические, оптико-механические, фотоэлектронные, ультразвуковые и т.д.)
по пространственному признаку (одномерные, двумерные).
При параллельном сканировании все поле OYLX просматривается одновременно по горизонтальным строкам, например, путем перемещения линейки ФП, ориентированной перпендикулярно направлению сканирования.
При последовательном сканировании линейка ФП ориентирована параллельно направлению сканирования каждую точку пространства просматривают все элементы. Сигналы от них поступают на линию задержки и в сумматор. В этом случае возможно не только осреднение сигнала, но и получение большого разрешения в (n) раз при усложнении электронной схемы и повышении стоимости ОЭП, которые могут быть несопоставимы с достижимым преимуществом.
При параллельно-последовательном сканировании просмотр поля зрения обеспечивается матрицей.
Траектории сканирования при регулярном поиске
В оптико-электронных приборах используются различные траектории сканирования. Вид конкретной траектории определяет прежде всего форму контролируемой области поля обзора (форму растра).
Круглая форма поля образуется осесимметричными траекториями, которые создаются за счет двух составляющих сканирования. Одной из них является вращательное движение с постоянной скоростью, второй – как вращательные, так и колебательные движения.
Прямоугольная форма поля создается двумя колебательными перемещениями, хотя в некоторых случаях используются сочетания вращательного и поступательного движения.
Осесимметрические траектории сканирования могут быть разделены на ряд классов в зависимости от типа слагающих движений и соотношения между их скоростями. При этом различают спиральную и розеточную траектории сканирования.
Траектории сканирования при колебательно-вращательном движении сканирующего поля.
Архимедова спираль образуется, когда за время одного колебания вдоль некоторой оси ОУ последняя совершает несколько оборотов вокруг неподвижной точки О (рис.45).
А-шаг спирали.
Для осмотра поля обзора без (2r) пропусков размер мгновенного поля зрения должен быть равен (а).
Если при колебательно-вращательном движении сканирующего поля за время одного оборота совершается несколько колебаний, то создается розеточная траектория (рис.46, 47,48)
y y
Розеточная траектория характеризуется числом лепестков N, которое определяется угловой скоростью вращения , линейной скоростью и амплитудоколебания r
,
где 
В зависимости от соотношения между r, радиусом поля обзора R, а также направления и начала сканирующего колебания изменяется характер заполнения поля линиями сканирования изменяется.
Траектории сканирования при вращательно-вращательном движении достаточно наглядно представлены на рис. 49-51.
Траектории сканировании при колебательных перемещениях.
Колебательные перемещения сканирующего поля в двух взаимно перпендикулярных направлениях позволяют осуществить так называемую построчную и прогрессивную траекторию сканирования. В этом случае в процессе развертки сканирующее поле (СП) перемещается слева направо и одновременно смещается на ширину строки вниз. Пройдя одну строку, СП быстро перемещается влево и затем процесс повторяется до заполнения кадра –поля обзора. Для получения равномерного движения СП вдоль строки или кадра перемещения его в исходное положение необходимо обеспечить пилообразный закон движения (рис.52). В заключении приведём рис.53, который иллюстрирует некоторые специальные траектории сканирования.
Типы сканирующих устройств
Обычно различают ОЭП с фотоэлектронным сканированием, сканирование электронным лучом, сканирование световым лучом, оптико-механическое сканирование.
Сканирование электронным лучом (СЭЛ)
СЭЛ осуществляется в телевизионных передающих трубках (иконоскоп, супериконоскоп, ортикон, диссектор, видикон и др.).
Большинство современных передающих трубок являются фотоэлектрическими приемниками излучения с внешним фотоэффектом,обладающим достаточной чувствительностью в области длин волн до ~1,2 мкм.
В ряде случаев в качестве фотокатода в трубках используются фоторезистор, т.е.явление внутреннего фотоэффекта, что сдвигает область чувствительности до 2-2,5 мкм.
Рис.47. Розеточная траектория сканирования при колебательно-вращательном движении сканирующего поля
Рис. 48.Траектория сканирования при колебательно-вращательном движении сканирующего поля для r
Рис.49 Спиральная а) и розеточная б) траектории сканирования при
Вращательно-вращательном движении сканирующего поля при 2r=R
Рис.50 Спиральная траектория для случая 2r Рис. 51. Розеточная траектория для случая 2r a
б
) T пр t обр. Рис. 52. Построчная или прогрессивная траектория сканирования Рис.53. Некоторые специальные траетории сканирования: а- гусеница: б – следящая развертка
Наибольшее распространение в автоматических ОЭП получили диссектор и видикон, соответственно системы мгновенного действия с накоплением. В системах мгновенного действия энергия излучения каждой точки обозреваемого поля преобразуется в сигнал только в течение времени прохождения через неё сканирующего луча. Это время существенно меньше времени обзора всего поля, т.е. здесь не используется возможность накопления энергии. В системах c накоплением осуществляется суммирование энергии излучаемой данной точкой поля в течении всего времени обзора, что позволяет повысить их чувствительность по сравнению с системами мгновенного действия. Пояснить работы системы с накоплением удобно на примере устройства иконоскопа. Фотокатод телевизионной трубки (мишень) можно представить в виде большого количества отдельных, изолированных друг от друга фотоэлементов, соединенных последовательно с источником э.д.с. [(см. рис. 54), R– сопротивление нагрузки, С – распределенная емкость фотокатода]. Под действием излучения одной из точек i поля обзора происходит заряд конденсатора С i фототоком I 3 в течение времени работы ключа К- времени экспозиции. Системы с накоплением относительно сложны в эксплуатации, требуют стабилизации источников питания и боятся сильных засветок. В связи с этим, несмотря на меньшую чувствительность, в ОЭП широко используются диссекторы. Диссектор
Его принцип действия заключаетсяв следующем. Полупрозрачный фотокатод (рис.55), на котором проектируется изображение светящегося объекта, испускает внутрь трубки фотоэлектроны в количестве, пропорциональном его освещенности. Образовавшееся электронное изображение переносится с фотокатода к электронному умножителю с помощью электрического и магнитного поля. Для получения сигналов от всех элементов изображения производится развертка с помощью магнитной системы (5)/ 4- ускоряющее поле/. Диссекторы выпускаются с различными типами фотокатодов, обеспечивающих чувствительность от УФ до ближней ИК области длин волн. Видикон (рис.56)
На полупрозрачную сигнальную пластину (металлическую) 1 нанесен слой полупроводника 2. Фотоизображение считывается электронным лучом. Нормальное падение последнего обеспечивается сеткой вблизи сигнальной пластины. Электронный луч, перемещаясь по мишени, оставляет на ней электроны, приводя потенциал участка полупроводника к потенциалу катода. Чем меньше освещенность участка мишени, тем больше сопротивление полупроводника, тем меньше, следовательно, необходимо электронов для компенсации изменения заряда, т.е. считывания рельефа изображения. Рис.54. Схемы передающей телевизионной трубки с накоплением: а
-
принципиальная: б – эквивалентная
Рис.55. Диссектор Рис.56. Видикон Сканирование световым лучом
По принципу действия к системам с электронным сканированием близки устройства со сканированием световым лучом. Пример такого устройства –термоэлектронный преобразователь изображения – термикон (рис.57) Приемная поверхность термикона состоит, в том числе, из очень тонкой ИК чувствительной пленки. С обратной стороны последней наносится специальный фотоэлектрический слой, эффективность которого зависит от температуры. На фотослой проецируется изображение яркого светящегося пятна, движущегося по экрану электронно-лучевой трубки по заданному закону. В зависимости от положения светящегося пятна на фотослое и распределения температуры на поверхности П количество эмитируемых электронов и фототок в цепи кольцевого коллектора изменяется на 2-3% на каждый градус изменения температуры. Изменение фототока усиливается и управляетэлектроннолучевая трубка И2. Область применения (расширяющаяся) – в МДП структурах. Максимальное разрешение близко 50 линий на кадр при 1. В оптико – механических сканирующих устройствах процесс сканирования осуществляется за счет изменения направления оптической оси ОЭс. При этом общее поле обзора последовательно анализируется мгновенным полем зрения оптической системы. Общая классификация таких устройств приведена на рис.58. Сканирование может производится за счет движения всей оптической системы прибора или её элементов – зеркал, призм, клиньев, линз, диафрагм. Оптико-механические системы, в которых сканирование осуществляется диафрагмой (щелью) , движущейся в фокальной плоскости иногда называют экранирующими. Широко известный пример – диск Нипкова. Своеобразные методы сканирования используются в системах с волоконной оптикой. Сканирование может осуществляться также путем изменения коэффициента преломления или других оптических свойств материалов, входящих в систему. Сканирование движения всей системы осуществляется в тех случаях, когда возможно использовать перемещение платформы, на которой размещается ОЭС. Для обзора более широкой полосы на местности в таких системах часто используется сканирование по строке. (рис.59). Рис.57. Принципиальная схема термикона. ^
СКАНИРОВАНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ ПРДМЕТОВ
ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СКАНИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА СКАНИРОВАНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ ^
СКАНИРОВАНИЕ ЗА СЧЕТ ДВИЖЕНИЯ ВСЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
СКАНИРОВАНИЕ ПОДВИЖНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ^
СКАНИРОВАНИЕ ЩЕЛЬЮ, ДВИЖУЩЕЙСЯ В ПЛОСКОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
СКАНИРОВАНИЕ ЗА СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ, ВХОДЯЩИХ В СИСТЕМУ ^
СКАНИРОВАНИЕ В СИСТЕМАХ С ВОЛОКОННОЙ ОПТИКОЙ
Рис. 58. Классификация оптико-механических Сканирующих устройств Рис. 59. Однострочное сканирование с движущейся платформы. Рис. 60.Сканирование в пространстве предметов: поле зрения; 7 – поле обзора
Рис. 61. Сканирование в пространстве изображений: поле зрения; 7 – поле обзора
Эффективность ОЭП, предназначенных для обзора пространства с неподвижного носителя может быть существенно повышена за счет применения черезстрочной развертки сканирующего луча (рис.65) линейки многоэлементного приемника. Достигаемый результат – уменьшение числа элементов приемника и уменьшение полосы частот коммутационно-усилительного тракта, причем это уменьшение равно m раз, где m = N (числу граней призмы). Недостаток – возможность пропуска цели, именно поэтому ОЭС (платформа) должна быть неподвижна. Рис.62. Типы сканирующих зеркал: а - вращающееся двустороннее(двугранное) зеркало; б – зеркало, вращающееся вокруг оси, неперпендикулярной к нему; в – «крест» из зерал 1 и 2; г – зеркало, качающееся в двух плоскостях; д – система из двух вращающихся зеркал; е – два зеркала, вращающихся или качающихся вокруг взаимно перпендикулярных осей; ж – вращающаяся зеркальная
N
– гранная призма; з – вращающаяся зеркальная
N
– гранная пирамида.
Рис.63. Сканирующее зеркало в виде многогранной призмы: Об – объектив; Пр –приемник из М элементов;
З – зеркало с
N
гранями; НП – направление полета
Рис. 64. Основные принципы сканирования плоскопараллельной пластинкой (призмой): а – ход лучей; б – призма, эквивалентная пластинке толщиной
; в – поле обзора и поворот пластинки при неподвижном приемнике (диафрагме поля).
Рис. 65. Схема сканирования и расположения чувствительных слоев многоэлементного приемника при чересстрочной развертке. Рис.66. Система механичесого телевидения с диском Нипкова: а – приемник излучения большой площади;
б – небольшой приемник и конденсор;
в – сканирующий диск
Рис. 67. Сканирование щелью в зенитном теплопеленгаторе Рис. 68. Сканирующее устройство с клинообразными фильтрами. 
h
О l X 
а)
Оптико-механическое сканирование.
Наряду с простым зеркалом в сканирующей системе может использоваться система зеркал, зеркальные призмы, пирамиды и т.д. (рис.62-64). В качестве исполнительных механизмов применяются шаговые двигатели, кулачковые механизмы и т.д.
Сканирование зеркалами:
различают сканирование в пространстве предметов (зеркало размещается перед объективом, рис.60) и сканирование в пространстве изображений (используется широкоугольный объектив, обеспечивающий высокое качество изображения по всему полю обзора, зеркало за ним, рис. 61).
4 – конденсор; 5 – приемник излучения;6 – мгновенное
сканирующее зеркало; 2 – объектив;3 – диафрагма;
Зенитный теплопеленгатор - одна из таких (её исллюстрирует рис. 67) проста по конструкции и эффективна. Зеркало (D~1500 мм, f~640 мм) создает изображение точечной цели в плоскости непрозрачной диафрагмы с вырезом, вращаемой двигателем М 2 (М 1 – модулятор). Сигнал запитывает неоновую лампочку Л, которая вращается с частотой диафрагмы М 2 в пределах окружности, удобной для восприятия оператором. Легко видеть, что при условии точной ориентации приемного зеркала на цель, лампочка очерчивает полный круг и вспыхивает в определенном секторена краткие моменты времени при прочих условиях
Сканирование отверсием в непрозрачном экране -
наиболее простой способ сканирования. Классический пример диск Нипкова. Пример этих устройств показан на рис. 66,67. Отверстие в диске Д (рис.66) расположено таким образом, что изображение, ограниченное диафрагмой ДП последовательно анализируется по строкам так, что когда одно отверстие выходит за пределы окна диафрагмы ДП, другое выходит прочерчивая следующую строку. Одна из последних конструкций с указанным механизмом сканирования – тепловизор “Янтарь” (70-е годы, поле обзора 5х4, мгновенное поле зрения 5, частота кадров 25 Гц), которым удалось убеспечить минимально обнаруживаемую разность температур =0,2 – 0,3С.
(На рис.68 – ГКР – генератор кадровой и строчной разверток; КФГ, КФВ – клиновые фильтры горизонтальной и вертикальной развертки).
Сканирование путем управления оптическими свойствами элементов, входящих в систему.
Управление осуществляется магнитным или электрическим полем. Известно, например, что такие материалы, как нитробензол, кварц, некоторые кристаллы изменяют показатель преломления n при воздействии электрического поля. Для сканирования можно использовать систему фильтров как на рис.68, выполненных из чередующихся слоев некоторых материалов, например, сульфида цинка и креолита. Такие фильтры пропускают только монохроматическое излучение, длина волны
которых в четыре раза больше толщины l
фильтра. Если изготовить фильтр в виде клина и направить на него монохроматическое излучение, то последнее пройдет только в той части, где толщина соответствует четверти длины волны (при условии n
=
/4
). Введя второй фильтр, развернутый на 90, обеспечим возможность прохождения только той части излучения, которая соответствует участкам фильтров с толщиной 1/4. Подводя к фильтрам напряжение, можно перемещать линии равной толщины и т.о. обеспечить сканирование изображения.