Система координат оптико-механічного сканера.
Зображення рядка в оптико-механічному сканері формується з допомогою обертання дзеркала, а рядки – з допомогою переміщення носія знімальної системи. Таким чином, кожен піксель зображення має елементи зовнішнього орієнтування.
Ө - Кут поля зору сканера.
Початком системи координат сканера є точка S– точка перетину осі обертання дзеркала та головної оптичної осі об'єктива. Ось x zзбігається з бісектрисою кута поля зору знімальної системи. Ось yдоповнює систему до правої.
Система координат сканерного зображення задається як і для оптико-електронного сканера, тобто. вісь y ззбігається з одним із рядків зображення, початок системи координат прознаходиться в середині рядка, а вісь x з- Доповнює систему до правої.
За виміряними координатами точки зображення x з y сможна отримати час формування зображення даного пікселя, отже і елементи зовнішнього орієнтування сканера у цей момент.
Напрямок на точку місцевості М(рис.10) у системі координат сканера визначає одиничний вектор r mкоординати якого можна визначити наступним чином:
(18)
- розмір кадру в пікселях уздовж осі y.
Визначення координат точок місцевості за зображеннями, отриманими за допомогою оптико-механічного сканера, виконується аналогічно тому, як це робилося для зображень, отриманих оптико-електронним сканером.
Принцип дії лазерно-локаційних знімальних систем
Лазерно-локаційна знімальна система за принципом дії нагадує оптико-механічний сканер, тільки замість діафрагми є лазер, за допомогою якого сканується поверхня землі (рис.11). Таким чином, ця знімальна система відноситься до активних систем. Лазерний промінь з певною частотою посилається у бік поверхні землі, який повертається у знімальну систему та фіксується у приймачі випромінювання у вигляді інтенсивності відбитого сигналу. Крім того, фіксується час проходження лазерного променя від лазера до поверхні землі та назад до приймача випромінювань, що дозволяє визначити відстань Dдо цієї точки землі. Фіксуючи кут повороту дзеркала φ можна визначити координати точки поверхні землі у системі координат сканера Sxyz, а знаючи елементи зовнішнього орієнтування сканера в цей момент, можна визначити координати цієї точки в системі координат об'єкта O XYZ. Таким чином, результатом роботи лазерного сканера є тривимірна модель об'єкта, що знімається у вигляді хмари точок з відомими координатами XYZта інтенсивністю відбитого сигналу.
Система координат лазерного сканера задається так (рис.11). Початок системи Sзбігається з точкою перетину осі обертання дзеркала та оптичною віссю системи. Ось xзбігається з віссю обертання дзеркала. Ось zпроходить через центр проекції Sі збігається з бісектрисою кута поля зору сканера Ө . Ось удоповнює систему до правої. Позитивний напрямок осі xзбігається з напрямком польоту.
Координати вектора SMу системі координат сканера визначають як:
(19)
Якщо відомі елементи зовнішнього орієнтування, лазерного сканера в момент вимірювання похилої відстані D ,то координати точки М в системі координат об'єкта можна визначити за відомими формулами:
(20)
Елементи зовнішнього орієнтування, лазерного сканера під час зйомки визначаються за допомогою навігаційного комплексу у складі диференціальної GPS-системи та інерційної системи.
Принцип формування зображень радіолокацій.
Системи координат.
На рис.12 показаний принцип зйомки радіолокації. Короткий імпульс від передавача, розташованого на носії (самолеті або супутнику), випромінюється у вертикальній площині за допомогою спрямованої антени. При досягненні поверхні землі хвиля відбивається. Частина відбитої енергії повертається до приймача, встановленому тому ж місці, як і передавач. Прийнята енергія квантується. В результаті виходять сигнали, пропорційні прийнятої в даний момент енергії, що залежить від відображає здатність певної ділянки місцевості. Одночасно вимірюються похилі дальності від передавача до кожного елементарних ділянок місцевості. Ці елементарні ділянки місцевості визначають дозвіл знімальної системи. Таким чином, щільність пікселя радіолокаційного зображення залежить від інтенсивності відбитого радіосигналу від відповідної точки об'єкта, а положення пікселя вздовж рядка пропорційно похилій дальності даної точки. Рядки зображення формуються з допомогою руху носія.
Якщо відстані до точок об'єкта рівні між собою ( D 1і D 2на рис. 13), то ці різні точки об'єкта відобразяться в одній точці на знімку. Діапазон вимірюваних відстаней і відповідно смуга огляду визначаються параметрами знімальної системи та лежать у межах D oі D допочаткової та кінцевої вимірюваних дальностей.
Щоб збільшити захоплення місцевості (смугу огляду), потрібно збільшити час від початку посилення імпульсу до прийому.
Система координат радіолокаційного зображення визначається наступним чином. Ось y cзбігається з одним із рядків зображення. Початок системи координат прозбігається з точкою відповідної початкової дальності D o, яка фіксується під час зйомки. Ось x cдоповнює систему до правої.
Таким чином, вимірявши координату y cбудь-якої точки зображення можна дізнатися про похилу дальність до цієї точки.
де k– масштабний коефіцієнт, що визначається внаслідок калібрування системи.
Система координат самої системи радіолокації задається наступним чином (рис.15).
Початок системи координат збігається з точкою випромінювання радіоімпульсу. Осі y,z лежать у площині випромінювання імпульсів. Ось xдоповнює систему до правої.
Площина випромінювання радіоімпульсів може бути довільно орієнтована у просторі
Скануючі системиз'явилися в середині 70-х років і до кінця 80-х майже повністю витіснили традиційні фотографічні та телевізійні системи. Сьогодні вони є основними постачальниками даних ДЗЗ під час вирішення завдань природно-ресурсного та екологічного моніторингу.
Загалом механізм сканування полягає в наступному. Супутник має сканер, який оснащений фотоелектричним або термоелектричним приймачем. У цей приймач потрапляє відбите випромінювання з певної ділянки земної поверхні. Приймач генерує електричний сигнал, що залежить від інтенсивності випромінювання. Величина сигналу фіксується в пам'яті пристрою, а датчик починає приймати сигнал із наступної ділянки земної поверхні. Таким чином, ділянка за ділянкою починає формуватися зображення. Кожен такий ділянку земної поверхні, відбиток якого було одномоментно зареєстровано датчиком, на знімку відображається як піксела – найменшого неподільного елемента зображення. На кожному пікселі відображається середнє значення яскравості всіх об'єктів, що потрапили у межі цього пікселя. Таким чином, чим менший розмір піксела, тим якісніше зображення можна отримати на знімку, оскільки стає можливим відображення більш дрібних об'єктів.
Сканерні системи дистанційного зондування бувають двох видів. оптико-механічні (діляться на лінійні та поперечні) та оптико-електронні (Поздовжні та планарні).
У лінійних сканерах(Для зйомки всієї сцени використовується один-єдиний детекторний елемент
Рисунок 1 – Лінійний оптико-механічний сканер
У сканерах цього типу встановлено дзеркало, яке хитається з боку в бік поперек напрямку руху супутника. На дзеркало послідовно потрапляє відбите випромінювання від різних ділянок поверхні вздовж рядка, і з дзеркала воно потрапляє на детектор. Дійшовши до крайньої точки рядка, дзеркало починає обертатися у зворотний бік, зчитуючи наступний рядок (супутник за цей час пролетів відстань, що відповідає одному рядку пікселів). Таким чином, рядок за рядком зображення нарощується. Коливання дзеркала упоперек маршруту зйомки реалізує рядки зображення, а завдяки руху носія відбувається накопичення рядків і формується повне зображення знімка, що має рядково-сітчасту поелементну структуру.
Іншим різновидом лінійних сканерів є сканер, в якому дзеркало не хитається з боку в бік, а обертається завжди в одному напрямку навколо своєї осі, в діапазоні 360 градусів. Тут датчик зчитує сигнал уздовж рядка, а потім, поки датчик робить навколо своєї осі, супутник просувається на деяку відстань вперед і датчик знову починає зчитувати наступний рядок у тому напрямку. За одну секунду здійснюється близько 7 таких циклів.
У поперечних ПЗЗ-сканерівНаприклад, сканер TM (Thematic Mapper) супутника Landsat-5, використовується лінійка детекторів, розташованих уздовж маршруту зйомки. Така лінійка називається лінійка ПЗЗ (прилад із зарядовим зв'язком; назва відображає спосіб зчитування електричного потенціалу методом зсуву заряду від елемента до елемента). В результаті при кожному циклі руху дзеркала всі детекторні елементи здійснюють паралельне сканування земної поверхні. Як і для лінійних сканерів, рух датчика може здійснюватися з боку в бік, коли наступний рядок зчитується в протилежному напрямку або навколо осі.
Основним недоліком пристроїв такого типу є наявність механічного дзеркала, що сканує, що обмежує точність географічної прив'язки одержуваних зображень і знижує довговічність і надійність пристрою в цілому. В оптико-електронних камерах на приладах із зарядним зв'язком (ПЗЗ), які отримали назву "push-broom scanner", елементи з механічним скануванням не використовуються. Рядок зображення в одному спектральному діапазоні формується за допомогою лінійної матриці (лінійки) детекторів на ПЗЗ, орієнтованої перпендикулярно напрямку польоту супутника.
Поздовжні ПЗЗ-сканериоснащені ПЗС-лінійкою, що складається з тисяч детекторних елементів, розташованих поперек маршруту. У результаті паралельне сканування всього набору даних відбувається просто рахунок руху платформи по орбіті.
Планарний ПЗЗявляє собою матрицю датчиків, аналогічно матриці у звичайному цифровому фотоапараті. Необхідно забезпечити достатній час, щоб певна кількість фотонів потрапила на датчик. Якщо датчик перебуває у русі щодо мети, то застосовується покрокове формування зображення, щоб запобігти розмиванню.
Незалежно від типу системи сканування повний кут сканування поперек маршруту зйомки називається кутом оглядуа відповідна величина на поверхні Землі шириною смуги зйомки(інша назва - ширина смуги охоплення ). Відстань на земній поверхні, що відповідає відстані між центрами сусідніх пікселів, називається наземним інтервалом дискретизації (інша назва – наземний крок сканування ). Наземні інтервали дискретизації вздовж та поперек маршруту зйомки визначаються відповідними частотами дискретизації, а також швидкістю руху платформи. Насправді частоту дискретизації зазвичай підбирають те щоб величина наземного інтервалу дискретизації дорівнювала розміру миттєвого поля огляду, тобто ширині проекції одного детекторного елемента на земну поверхню (рис. 2 і 3). Таким чином, миттєві поля огляду сусідніх пікселів примикають один до одного як поздовжньому, так і в поперечному напрямку. Наземний інтервал дискретизації вздовж маршруту зйомки визначається швидкістю платформи і частотою дискретизації (для поздовжніх ПЗС-сканерів), або швидкістю сканування (для лінійних і поперечних ПЗС-сканерів), які підбираються так, щоб відповідати миттєвому полю огляду в надирі. Використання в деяких системах більш високої частоти поперечної дискретизації призводить до накладання миттєвих оглядових полів і, як наслідок, до деякого поліпшення якості даних. Такий метод «надлишкового сканування» застосовується, зокрема, у знімальних системах Landsat MSS та AVHRR KLM.
Малюнок 2 – Найпростіша геометрична схема розташування детекторного елемента у фокальній площині датчика
Рисунок 3 – Зв'язок між проекцією миттєвого поля огляду та інтервалом дискретизації для типових сканерів та для приладів MSS та AVHRR
Наземний інтервал дискретизації GSI визначається висотою розташування платформи Н, фокусною відстанню fта міждетекторним інтервалом (або, як було зазначено вище, просторовою частотою дискретизації). Якщо частота дискретизації дорівнює одному пікселу на один міждетекторний інтервал, наземний інтервал у надирі, тобто безпосередньо під датчиком, задається простою формулою:
Де m = f/H- Коефіцієнт геометричного збільшення, а величина міждетекторного інтервалу зазвичай дорівнює ширині детекторного елемента w.
Миттєве поле огляду GIFOV залежить від величин H, f та w аналогічним чином. При цьому слід зауважити, що інженери-розробники систем дистанційного зондування вважають за краще використовувати в своїх розрахунках інший параметр - величину миттєвого кута огляду IFOV, що дорівнює куту, який утворює детекторний елемент з віссю оптичної системи (рисунок 2). Це зумовлено тим, що IFOV є постійною величиною і не залежить від робочої висоти датчика.
Дані, одержувані за допомогою оптичних датчиків з високою просторовою роздільною здатністю, використовуються при вирішенні великої кількості тематичних завдань, включаючи, наприклад, вимірювання довжини та класифікація рослинного покриву, визначення стану сільськогосподарських культур, геологічне картування, контроль ерозії ґрунтів у береговій зоні тощо. Однак область застосування цих даних дещо обмежується тим, що отримання якісних оптичних знімків можливе тільки на освітленій частині поверхні Землі в ясну, безхмарну погоду.
Винахід відноситься до техніки отримання зображення контрольованих об'єктів за допомогою оптико-електронних систем оптико-механічної розгорткою. Мета винаходу - покращення якості передачі зображення шляхом збільшення числа рядків розкладання в кадрі та підвищення швидкодії. Винахід дозволяє підвищити кількість рядків у кадрі при малій кількості граней дзеркального багатогранника. На основі способу може бути створено малогабаритне скануючий пристрій з частотою телевізійної кадрів і підвищеним числом рядків у кадрі. Спосіб полягає в тому, що здійснюють розгортку одночасно М-паралельних елементарних рядків, розташованих впритул один до одного, другу кадрову розгортку здійснюють безперервною з кутовою швидкістю к2 =pMd е F до в межах кута 2 першу кадрову розгортку роблять з кроком 2=M(p-s -1/N)d е а відношення кутів встановлюють з умови 
, при цьому число активних рядків у кадрі визначають із співвідношення: z= M, де (m-1) - ціле число крайніх у растрі М-рядкових підкадрів, під час яких здійснюється зворотний хід другої кадрової розгортки, m= 1,2,3 . ..; d е - Кутова ширина рядка; s - ціла кількість пасивних переміжних полів у кадрі, під час яких здійснюється зворотний хід другої кадрової розгортки, s = 0,1,2 ...; с - ККД малої розгортки; до - кут огляду з кадру. Пристрій, що реалізує даний спосіб, містить дзеркальне N-гранне дзеркало 1 з різним нахилом граней до осі його обертання, плоске дзеркало 2, об'єктив 3 і М-елементний приймач 4 випромінювання. Піраміда 1 здійснює рядкову розгортку і дискретну з кроком 2= =M(p-s-1/N)d е і частотою pF k першу кадрову розгортку N-підкадрів М-елементарних рядків, плоске дзеркало 2 здійснює другу кадрову розгортку з кутовою швидкістю w к2 = pMd е F k частотою F k кадрів.
Винахід відноситься до техніки отримання зображення контрольованих об'єктів за допомогою оптико-електронних систем оптико-механічної розгорткою. Мета винаходу покращення якості передачі зображення шляхом збільшення числа рядків розкладання в кадрі та підвищення швидкодії. На кресленні представлена оптична схема пристрою, що реалізує запропонований метод. Пристрій для здійснення запропонованого способу містить дзеркальне N-гранне дзеркало 1 з різним нахилом граней до осі його обертання, плоске дзеркало 2, об'єктив 3 і М-елементний приймач 4 випромінювання. Грані N-гранного дзеркала 1 нахилені до осі обертання відповідно до формули до = o +k, де o найменший з кутів нахилу граней до осі, k=0,1,2,3.N-1, крок у кутовому розташуванні багатогранників. Чутливі елементи приймача 4 випромінювання розташовані у вигляді лінійки, проекція якої в площину предметів перпендикулярна напрямку рядкової розгортки. Пристрій працює наступним чином. Потік випромінювання від об'єкта, відбившись від дзеркальної грані N-гранного дзеркала 1, потрапляє на плоске дзеркало 2 другої кадрової розгортки. Після відображення від дзеркала 2 цей потік фокусується об'єктивом 3 на чутливі елементи приймача 4 випромінювання, що є перетворювачем змін потоку випромінювання електричний сигнал. Запропонований спосіб оптико-механічного сканування забезпечує Z = M рядок розкладання в кадрі. У порівнянні з аналогом число Z рядків збільшується приблизно (p-s) разів без збільшення числа граней N багатогранного дзеркала, а в порівнянні з прототипом число Z рядків збільшується приблизно в М разів. При цьому забезпечується достатній проміжок часу зворотного ходу другої кадрової розгортки. Спрощується також здійснення другої кадрової розгортки, оскільки вона є безперервною, а чи не крокової. При заданому числі Z рядків, варіюючи величини M, p, s і m, можна визначити оптимальне число підкадрів в полях, що переміщається, яке здійснюється при мінімальних габаритах і масі скануючого пристрою. Підвищення швидкодії порівняно з прототипом полягає у зменшенні, приблизно в М разів, числа p полів, що переміщаються в кадрі (у стільки ж разів зменшується число обертів N-гранного дзеркала). Підвищення швидкодії досягається також за рахунок спрощення реалізації другої кадрової розгортки, через її безперервний характер на робочій ділянці і достатнього проміжку часу для зворотного ходу, для якого використовується час s-пасивних полів, що переміщаються в кадрі, час m-1 крайніх у растрі підкадрів, а також проміжок між двома послідовними у часі активними ділянками малої розгортки. Порівняно з аналогом, приблизно N раз зменшується амплітуда кута відхилення по кадру і N раз зменшується кутова швидкість гойдання плоского дзеркала. На основі запропонованого рішення може бути створено малогабаритний оптико-механічний пристрій, що сканує, з телевізійною частотою кадрів і підвищеним числом рядків у кадрі.
Формула винаходу
Спосіб оптико-механічного сканування, полягає в тому, що здійснюють рядкову розгортку кадру з частотою pNF k , де р ціле число полів, що перемежуються в кадрі, N кількість підкадрів у кожному полі, F k кадрова частота, дискретну першу кадрову розгортку з частотою pF k , числом (N-1) кроків і кроком 2, а також другу кадрову розгортку з частотою F k в межах кута 2, що забезпечує заповнення рядками кадру, який відрізняється тим, що, з метою поліпшення якості передачі зображення шляхом збільшення числа рядків розкладання в кадрі та підвищення швидкодії, здійснюють розгортку одночасно М-паралельних елементарних рядків, розташованих впритул один до одного, другу кадрову розгортку здійснюють безперервно з кутовою швидкістю w k2 = pMd е F k в межах кута 2 першу кадрову розгортку роблять з кроком 2 = M(p-s-1/ N), а відношення кутів встановлюють за умови 
при цьому число активних рядків у кадрі визначають із співвідношення Z M де (m 1) ціле число крайніх у растрі М-рядкових підкадрів, під час яких проводиться зворотний хід другої кадрової розгортки, m 1,2,3, d е кутова ширина рядка; s ціле число пасивних переміжних полів у кадрі, під час яких здійснюється зворотний хід другої кадрової розгортки, s 0,1,2, c ККД малої розгортки; кут огляду по кадру.
Винахід відноситься до галузі приладів, призначених для перетворення електромагнітного випромінювання в електричний сигнал, що несе інформацію про зображення, при розміщенні цих приладів на рухомій основі
Винахід відноситься до галузі формування потоку відеоданих секторним фотоприймачем, що обертається. Спосіб заснований на формуванні сигналів від фоточутливих елементів, встановлених за площею сенсора, що обертається, їх подальшої організації в ядра просторового диференціювання, вихідні сигнали яких піддаються аналого-цифровому перетворенню та їх подальшій цифровій обробці. Фоточутливі елементи встановлюють послідовно на рівних відстанях між собою на дугах з дискретними радіусами від Rmin до Rmax на площі сенсора, що обертається, має форму усіченого сектора кола, який звернений більшою стороною до зовнішнього діаметра обертання. Фотоструми від фоточутливих елементів посилюють по постійному струму і обмежують смугою частот залежно від чутливості фотоелементів і частоти обертання сенсора. Власні шуми мінімізують і коригують амплітудно-частотні характеристики каналів передачі сигналів кожного фоточутливого елемента з подальшим формуванням ядер просторового диференціювання, сигнали з яких піддають аналогово-цифрового перетворення та подальшої цифрової обробки. Технічний результат – підвищення якості зображення. 2 н.п. ф-ли, 6 іл.
Винахід відноситься до техніки отримання зображення контрольованих об'єктів за допомогою оптико-електронних систем з оптико-механічною розгорткою
Вступ
Дистанційне зондування є методом отримання інформації про об'єкт або явище без безпосереднього фізичного контакту з цим об'єктом. Дистанційне зондування є підрозділом географії. У сучасному розумінні термін в основному відноситься до технологій повітряного або космічного зондування місцевості з метою виявлення, класифікації та аналізу об'єктів земної поверхні, а також атмосфери і океану, за допомогою поширюваних сигналів (наприклад, електромагнітної радіації). Поділяють на активне (сигнал спочатку випромінюється літаком або космічним супутником) та пасивне дистанційне зондування (реєструється лише сигнал інших джерел, наприклад, сонячне світло). Пасивні сенсори дистанційного зондування реєструють сигнал, що випромінюється або відображений об'єктом або прилеглою територією. Відображений сонячне світло - джерело випромінювання, що найчастіше використовується, реєструється пасивними сенсорами. Прикладами пасивного дистанційного зондування є цифрова та плівкова фотографія, застосування інфрачервоних, приладів із зарядним зв'язком та радіометрів.
Активні прилади, у свою чергу, випромінюють сигнал з метою сканування об'єкта та простору, після чого сенсор має можливість виявити та виміряти випромінювання, відбите або утворене шляхом зворотного розсіювання метою зондування. Прикладами активних сенсорів дистанційного зондування є радар і лідар, якими вимірюється затримка в часі між випромінюванням і реєстрацією повернутий сигнал, таким чином визначаючи розміщення, швидкість і напрямок руху об'єкта. Дистанційне зондування надає можливість отримувати дані про небезпечні, важкодоступні об'єкти, що швидко рухаються, а також дозволяє проводити спостереження на великих ділянках місцевості. Прикладами застосування дистанційного зондування може бути моніторинг вирубування лісів (наприклад, у басейні Амазонки), стан льодовиків в Арктиці та Антарктиці, вимірювання глибини океану за допомогою лоту. Дистанційне зондування також приходить на заміну дорогим і порівняно повільним методам збору інформації з поверхні Землі, одночасно гарантуючи невтручання людини в природні процеси на територіях або об'єктах, що спостерігаються. За допомогою орбітальних космічних апаратів вчені мають можливість збирати та передавати дані в різних діапазонах електромагнітного спектру, які, у поєднанні з більш масштабними повітряними та наземними вимірами та аналізом, забезпечують необхідний спектр даних для моніторингу актуальних явищ та тенденцій, таких як Ель-Ніньо та інші природні феномени, як у коротко-, і у довгостроковій перспективі. Дистанційне зондування також має прикладне значення у сфері геонаук (наприклад, природокористування), сільському господарстві (використання та збереження природних ресурсів), національної безпеки (моніторинг прикордонних областей).
Огляд основних приладів дистанційного зондування
Радари в основному застосовуються в системах контролю повітряного трафіку, раннього оповіщення, моніторингу лісового покриву, сільському господарстві та для отримання метеорологічних даних великого масштабу. Радар Допплера використовується правоохоронними організаціями для контролю швидкісного режиму автотранспорту, а також для отримання метеорологічних даних про швидкість та напрям вітру, місцезнаходження та інтенсивність опадів. Інші типи одержуваної інформації включають дані про іонізований газ в іоносфері. Інтерферометричний радар штучної апертури використовується для отримання точних цифрових моделей рельєфу великих ділянок місцевості.
Лазерні та радіолокаційні висотоміри на супутниках забезпечують отримання широкого спектра даних. Вимірюючи відхилення рівня води океану, викликані гравітацією, ці прилади відображають особливості рельєфу морського дна з роздільною здатністю близько однієї милі. Вимірюючи висоту і довжину хвилі океанських хвиль за допомогою висотомірів, можна дізнатися швидкість і напрям вітру, а також швидкість і напрям поверхневих океанічних течій.
Ультразвукові (акустичні) та радіолокаційні датчики використовуються для вимірювання рівня моря, припливів та відливів, визначення напрямку хвиль у прибережних морських регіонах.
Технологія світлового виявлення та визначення дальності (ЛІДАР) добре відома своїм застосуванням у військовій сфері, зокрема у лазерній навігації снарядів. ЛІДАРИ використовується також для виявлення та вимірювання концентрації різних хімічних речовин в атмосфері, в той час як ЛІДАР на борту літака може бути використаний для вимірювання висоти об'єктів та явищ на землі з більшою точністю, ніж та, яка може бути досягнута за допомогою радіолокаційної техніки. Дистанційне зондування рослинності також є одним із основних застосувань ЛІДАРу.
Радіометри і фотометри є найпоширенішими інструментами, що використовуються. Вони фіксують відбите і випромінювання, що випускається, в широкому діапазоні частот. Найбільш поширеними є датчики видимого та інфрачервоного діапазонів, потім йдуть мікрохвильові датчики гамма-променів і, рідше, датчики ультрафіолету. Ці прилади можуть бути використані для виявлення емісійного спектру різних хімічних речовин, надаючи дані про їх концентрацію в атмосфері.
Стереозображення, отримані за допомогою аерофотозйомки, часто використовуються при зондуванні рослинності на поверхні Землі, а також для побудови топографічних карт при розробці потенційних маршрутів шляхом аналізу зображень місцевості, у поєднанні з моделюванням особливостей навколишнього середовища, отриманих наземними методами.
Мультиспектральні платформи, такі як Landsat, активно використовувалися починаючи з 70-х років. Ці прилади використовувалися для побудови тематичних карт шляхом отримання зображень у кількох довжинах хвиль електромагнітного спектра (мульти-спектра) і, зазвичай, застосовуються на супутниках спостереження Землею. Прикладами таких місій є програма Landsat або супутник IKONOS. Карти рослинного покриву та землекористування, отримані методом тематичного картографування, можуть бути використані для розвідки корисних копалин, виявлення та моніторингу використання земель, вирубування лісів, та вивчення здоров'я рослин та сільськогосподарських культур, у тому числі величезних ділянок сільськогосподарських земель або лісових масивів. Космічні знімки програми Landsat використовуються регулюючими органами для контролю якості води, включаючи глибину Секкі, щільність хлорофілу і загальний вміст фосфору. Метеорологічні супутники використовуються в метеорології та кліматології.
Методом спектральної візуалізації одержують зображення, у яких кожен піксель містить повну спектральну інформацію, відображаючи вузькі спектральні діапазони у межах безперервного спектра. Прилади спектральної візуалізації використовуються для вирішення різних завдань, у тому числі застосовуються в мінералогії, біології, військовій справі, вимірювання параметрів навколишнього середовища.
У рамках боротьби з опустелюванням, дистанційне зондування дозволяє спостерігати за областями, що знаходяться в зоні ризику в довгостроковій перспективі, визначати фактори спустошення, оцінювати глибину їхнього впливу, а також надавати необхідну інформацію особам, відповідальним за прийняття рішень щодо вжиття заходів охорони навколишнього середовища.
Переваги сучасних космічних ДДЗ високої роздільної здатності:
Висока просторова роздільна здатність – не гірша за 1 м у панхроматичному режимі
Висока радіометрична роздільна здатність – не менше 11 біт на піксел у панхроматичному режимі
Наявність 4 спектральних каналів, у тому числі 1 інфрачервоного
Можливість отримання стереозйомки
Можливість оновлення картографічного матеріалу масштабу не гірша 1:5000
Періодичність отримання даних на ту саму область на земній поверхні - 1-5 днів залежно від широти
Можливість замовлення області довільної форми, зокрема. зйомка протяжних об'єктів
Можливість отримання «перспективної» зйомки з відхиленням від надиру до 45 градусів
Великий архів – мільйони отриманих знімків
Оперативність: можливість початку зйомки протягом 1 дня з моменту розміщення замовлення
Простота розміщення замовлення – немає необхідності отримання дозволу від державних організацій на проведення зйомки
Простота обробки: замовник отримує дані, готові до використання в ГІС.
Оптико-електронний тип зйомки
Оптико-електронний (ОЕ) спосіб відноситься до невидимого діапазону зйомки (нефотографічного). Йому лише кілька десятиліть існування. Необхідність оперативної передачі матеріалів зйомки з космосу призвела до інтенсивного розвитку, а також до сканерних знімальних систем. При значному розмаїтті конструктивного рішення вони засновані на загальному принципі.
Принцип сканерної зйомки полягає в поелементному зчитуванні вздовж вузької смуги відбитого земною поверхнею випромінювання, а розгортка зображення йде за рахунок руху носія, тому воно приймається безперервно.
Використовуються такі види зйомок: маршрутна, майданна, конвергентна (стереозйомка) та протяжного об'єкта (рис. «Схеми ОЕ зйомки»).
Випромінювання, що надійшло від джерела із Землі, перетворюється на носії (самолеті або ШСЗ) в електричний сигнал, потім у вигляді радіосигналу скидається на наземну приймальну станцію, де знову перетворюється на електричний сигнал і фіксується на магнітних носіях. При такій зйомці з'являється можливість протягом тривалого часу безперервно та оперативно отримувати інформацію (в режимі реального часу або із затримкою на кілька годин) та передавати її на приймальну станцію.
Роздільна здатність при оптико-електронному способі сканування буває:
· Надвисоке,
· Висока,
· Середня,
· Низька.
Перші скануючі системи для зйомки в оптичному діапазоні спектру мали роздільну здатність 1-2 км, але їх вдосконалення йде дуже швидко, і в даний час досягнуто роздільної здатності в кілька метрів.
Сканерна зйомка найчастіше виконується в багатозональному варіанті. Більшість сканерів, що працюють в оптичному діапазоні, мають три однакові канали:
· 0,5-0,6 мкм;
· 0,6-0,7 мкм;
· 0,8-1,1 мкм.
До них у різних конструкціях додаються канали в інших ділянках спектру:
у ближньому інфрачервоному,
в тепловому інфрачервоному,
панхроматичний канал, що забезпечує отримання знімків з більш високою роздільною здатністю.
В останні роки з'явилася тенденція створення гіперспектральних знімальних систем, що ведуть зйомку в 10 і більше каналах.
Гідність оптико-електронної зйомки. Це їх дискретний характер, завдяки чому знімки можуть бути:
У вигляді цифрового запису на магнітній стрічці
У вигляді фотозображення (фотознімки).
Подібна інформація.
15.4-16+isp_pages.doc
Термоелектричне охолодження
I 
Пр-до I
Термоелектричний ефект Пелтьє полягає в поглинанні або виділенні тепла на спаї двох різних металів або напівпровідників, коли цими провідниками протікає електричний струм. Якщо Е 1 і Е 2 термоедс першого і другого спаїв, кількість тепла, одержуваного на спаї при температурі Т(К) виражається формулою: Q=(Е 1 - Е 2)xTxI.
Q 
Один каскад конструкції на основі Bi 2 Te 3 дозволяє отримати температуру.
(-30)С, два каскади (-75), шість (-100)
^ Скануючі системи
Для перетворення багатовимірного оптичного сигналу в одномірний електричний, адекватну інформацію про розподіл параметрів оптичного сигналу, в ОЕП використовується сканування - процес послідовної, безперервної або дискретної вибірки значень оптичного сигналу. Найчастіше в ОЕП виконується перетворення просторового розподілу потоку випромінювання відеосигнал. Тому процес сканування у разі є послідовний перегляд порівняно великого поля огляду малим миттєвим полем.
Важливою функцією сканування є підвищення перешкодозахищеності ОЕП. Дійсно, застосування малого миттєвого поля зору при огляді великого простору, що містить малорозмірний об'єкт на тлі перешкод, безумовно краще, ніж виконання тієї ж операції приладом з великим полем зору.
Скануючі системи можуть бути класифіковані по-різному:
за способом розкладання поля огляду (одноелементне, паралельне, послідовне, комбінування).
за фізичною сутністю явищ, що лежать в основі роботи системи сканування (механічні, оптико-механічні, фотоелектронні, ультразвукові і т.д.)
за просторовою ознакою (одномірні, двовимірні).
При паралельному скануванні все поле OYLX проглядається одночасно горизонтальними рядками, наприклад, шляхом переміщення лінійки ФП, орієнтованої перпендикулярно напрямку сканування.
При послідовному скануванні лінійка ФП орієнтована паралельно напрямку сканування кожну точку простору переглядають всі елементи. Сигнали від них надходять на лінію затримки та до суматора. У цьому випадку можливе не тільки опосередкування сигналу, але й отримання великого дозволу в (n) разів при ускладненні електронної схеми та підвищенні вартості ОЕП, які можуть бути несумісними з досяжною перевагою.
При паралельно-послідовному скануванні перегляд поля зору забезпечується матрицею.
Траєкторії сканування при регулярному пошуку
В оптико-електронних приладах використовують різні траєкторії сканування. Вигляд конкретної траєкторії визначає насамперед форму контрольованої області поля огляду (форму растру).
Кругла форма поля утворюється осесиметричними траєкторіями, що створюються за рахунок двох складових сканування. Однією є обертальний рух з постійною швидкістю, другий – як обертальні, і коливальні руху.
Прямокутна форма поля створюється двома коливальними переміщеннями, хоча в деяких випадках використовуються поєднання обертального та поступального руху.
Осесиметричні траєкторії сканування можуть бути розділені на ряд класів залежно від типу складових рухів та співвідношення між їхніми швидкостями. При цьому розрізняють спіральну та розеточну траєкторії сканування.
Траєкторії сканування при коливально-обертальному русі скануючого поля.
Архімедова спіраль утворюється, коли за час одного коливання вздовж деякої осі ОУ остання здійснює кілька обертів навколо нерухомої точки (рис.45).
А-крок спіралі.
Для огляду поля огляду без (2r) перепусток розмір миттєвого поля зору повинен дорівнювати (а).
Якщо при коливально-обертальному русі скануючого поля за час одного обороту відбувається кілька коливань, то створюється розеточна траєкторія (рис.46, 47,48)
y y
Розеткова траєкторія характеризується числом пелюсток N, яке визначається кутовою швидкістю обертання , лінійною швидкістю та амплітудоколебанням r
,
де 
Залежно від співвідношення між r, радіусом поля огляду R, а також напрямки та початку скануючого коливання змінюється характер заповнення поля лініями сканування змінюється.
Траєкторії сканування при обертально-обертальному русі досить наочно представлені на рис. 49-51.
Траєкторії сканування при коливальних переміщеннях.
Коливальні переміщення скануючого поля у двох взаємно перпендикулярних напрямках дозволяють здійснити так звану рядкову та прогресивну траєкторію сканування. У цьому випадку в процесі розгортки скануюче поле (СП) переміщається зліва направо і одночасно зміщується на ширину рядка вниз. Пройшовши один рядок, СП швидко переміщається вліво і потім процес повторюється до заповнення кадру поля огляду. Для отримання рівномірного руху СП уздовж рядка або кадру переміщення його у вихідне положення необхідно забезпечити пилкоподібний закон руху (рис.52). Наприкінці наведемо рис.53, який ілюструє деякі спеціальні траєкторії сканування.
Типи скануючих пристроїв
Зазвичай розрізняють ОЕП із фотоелектронним скануванням, сканування електронним променем, сканування світловим променем, оптико-механічне сканування.
Сканування електронним променем (СЕЛ)
СЕЛ здійснюється в телевізійних передаючих трубках (іконоскоп, суперіконоскоп, ортикон, дисектор, відікон та ін).
Більшість сучасних трубок, що передають, є фотоелектричними приймачами випромінювання із зовнішнім фотоефектом, що володіє достатньою чутливістю в області довжин хвиль до ~1,2 мкм.
У ряді випадків як фотокатод у трубках використовуються фоторезистор, тобто явище внутрішнього фотоефекту, що зсуває область чутливості до 2-2,5 мкм.
Рис.47. Розеткова траєкторія сканування при коливально-обертальному русі скануючого поля
Мал. 48.Траєкторія сканування при коливально-обертальному русі скануючого поля для r
Рис.49 Спіральна а) та розеточна б) траєкторії сканування при
Обертально-обертальний рух скануючого поля при 2r=R
Рис.50 Спіральна траєкторія для випадку 2r Мал. 51. Розеткова траєкторія для випадку 2r a б) T пр t зр. Мал. 52. Порядкова чи прогресивна траєкторія сканування Рис.53. Деякі спеціальні траєторії сканування: а-гусениця: б - розгортка, що стежить Найбільшого поширення в автоматичних ОЕП набули дисектор і відікон, відповідно до системи миттєвої дії з накопиченням. У системах миттєвої дії енергія випромінювання кожної точки поля, що оглядається, перетворюється на сигнал тільки протягом часу проходження через неї скануючого променя. Це час значно менше часу огляду всього поля, тобто. тут не використовується можливість накопичення енергії. У системах з накопиченням здійснюється підсумовування енергії випромінюваної даною точкою поля протягом усього часу огляду, що дозволяє підвищити їхню чутливість порівняно з системами миттєвої дії. Пояснити роботи системи із накопиченням зручно на прикладі пристрою іконоскопа. Фотокатод телевізійної трубки (мішень) можна подати у вигляді великої кількості окремих, ізольованих один від одного фотоелементів, з'єднаних послідовно з джерелом е.д.с. [(див. рис. 54), R – опір навантаження, С – розподілена ємність фотокатода]. Під дією випромінювання однієї з точок i поля огляду відбувається заряд конденсатора С i фотострумом I 3 протягом часу роботи ключа К-часу експозиції. Системи із накопиченням відносно складні в експлуатації, вимагають стабілізації джерел живлення та бояться сильних засвіток. У зв'язку з цим, незважаючи на меншу чутливість, в ОЕП широко використовуються дисектори. Дисектор
Його принцип дії полягаєв наступному. Напівпрозорий фотокатод (рис.55), на якому проектується зображення об'єкта, що світиться, випускає всередину трубки фотоелектрони в кількості, пропорційній його освітленості. Електронне зображення, що утворилося, переноситься з фотокатода до електронного помножувача за допомогою електричного і магнітного поля. Для отримання сигналів від усіх елементів зображення проводиться розгортка за допомогою магнітної системи (5) / 4 - поле, що прискорює /. Диссектори випускаються з різними типами фотокатодів, що забезпечують чутливість від УФ до ближньої інфрачервоної області довжин хвиль. Відікон (рис.56)
На напівпрозору сигнальну пластину (металеву) 1 нанесений шар напівпровідника 2. Зображення зчитується електронним променем. Нормальне падіння останнього забезпечується сіткою поблизу сигнальної пластини. Електронний промінь, переміщаючись по мішені, залишає на ній електрони, наводячи потенціал ділянки напівпровідника до потенціалу катода. Що менше освітленість ділянки мішені, то більше вписувалося опір напівпровідника, тим менше, отже, необхідно електронів для компенсації зміни заряду, тобто. зчитування рельєфу зображення. Рис.54. Схеми телевізійної трубки, що передає, з накопиченням: а-
важлива: б – еквівалентна Рис.55. Дисектор Рис.56. Відікон Сканування світловим променем
За принципом дії до систем з електронним скануванням близькі пристрої із скануванням світловим променем. Приклад такого пристрою – термоелектронний перетворювач зображення – термікон (рис.57) Приймальна поверхня термікону складається, в тому числі, з дуже тонкої чутливої ІЧ плівки. На звороті останньої наноситься спеціальний фотоелектричний шар, ефективність якого залежить від температури. На фотошар проеціюється зображення яскравої плями, що світиться, що рухається по екрану електронно-променевої трубки за заданим законом. Залежно від положення плями, що світиться, на фотошарі і розподілу температури на поверхні П кількість емітованих електронів і фотострумів у ланцюгу кільцевого колектора змінюється на 2-3% на кожен градус зміни температури. Зміна фотоструму посилюється і управляє електроннопроменева трубка І2. Область застосування (що розширюється) – у МДП структурах. Максимальна роздільна здатність близько 50 ліній на кадр при 1. В оптико-механічних скануючих пристроях процес сканування здійснюється за рахунок зміни напрямку оптичної осі ОЕС. У цьому загальне полі огляду послідовно аналізується миттєвим полем зору оптичної системи. Загальна класифікація таких пристроїв наведено на рис.58. Сканування може здійснюватися з допомогою руху всієї оптичної системи приладу чи його елементів – дзеркал, призм, клинів, лінз, діафрагм. Оптико-механічні системи, в яких сканування здійснюється діафрагмою (щілиною), що рухається у фокальній площині, іноді називають екрануючими. Широко відомий приклад – диск Нипкова. Своєрідні методи сканування використовуються в системах із волоконною оптикою. Сканування може здійснюватися шляхом зміни коефіцієнта заломлення або інших оптичних властивостей матеріалів, що входять в систему. Сканування руху всієї системи здійснюється в тих випадках, коли можна використовувати переміщення платформи, на якій розміщується ОЕС. Для огляду ширшої смуги на місцевості таких системах часто використовується сканування по рядку. (Рис.59). Рис.57. Принципова схема термікону. ^
СКАНУВАННЯ В ПРОСТОРІ ПРДМЕТІВ
ОПТИКО-МЕХАНІЧНІ СКАНУЮЧІ ПРИСТРОЇ СКАНУВАННЯ В ПРОСТОРІ ЗОБРАЖЕНЬ ^
СКАНУВАННЯ ЗА РАХУНОК РУХУ ВСІЙ ОПТИЧНОЇ СИСТЕМИ
СКАНУВАННЯ РУХОВИМИ ЕЛЕМЕНТАМИ ОПТИЧНОЇ СИСТЕМИ ^
СКАНУВАННЯ щілини, що рухається в площині зображення.
СКАНУВАННЯ ЗА РАХУНОК ЗМІНИ ОПТИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЕЛЕМЕНТІВ, ЩО ВХОДИТЬ У СИСТЕМУ ^
СКАНУВАННЯ В СИСТЕМАХ З ВОЛОКОНОЮ ОПТИКОЮ Мал. 58. Класифікація оптико-механічних Сканувальних пристроїв Мал. 59. Однорядкове сканування з платформи, що рухається. Мал. 60.Сканування у просторі предметів: поле зору; 7 – поле огляду Мал. 61. Сканування у просторі зображень: поле зору; 7 – поле огляду Ефективність ОЕП, призначених для огляду простору з нерухомого носія, може бути істотно підвищена за рахунок застосування черезрядкової розгортки скануючого променя (рис.65) лінійки багатоелементного приймача. Досяжний результат – зменшення числа елементів приймача та зменшення смуги частот комутаційно-підсилювального тракту, причому це зменшення дорівнює m разів, де m = N (числу граней призми). Недолік – можливість пропуску мети, саме тому ОЕС (платформа) має бути нерухомою. Рис.62. Типи скануючих дзеркал: а - двостороннє (двогранне) дзеркало, що обертається; б – дзеркало, що обертається навколо осі, неперпендикулярної до нього; в – «хрест» із зерал 1 і 2; г – дзеркало, що гойдається у двох площинах; д – система з двох обертових дзеркал; е – два дзеркала, що обертаються або гойдаються навколо взаємно перпендикулярних осей; ж - дзеркальна, що обертаєтьсяN– гранна призма; з - дзеркальна, що обертаєтьсяN– гранна піраміда. Рис.63. Скануюче дзеркало у вигляді багатогранної призми: Про – об'єктив; Пр-приймач з М елементів; З - дзеркало зNгранями; НП – напрямок польоту Мал. 64. Основні принципи сканування плоскопаралельною платівкою (призмою): а – перебіг променів; б – призма, еквівалентна платівці завтовшки ; в – поле огляду та поворот пластинки при нерухомому приймачі (діафрагмі поля). Мал. 65. Схема сканування та розташування чутливих шарів багатоелементного приймача при черезрядковій розгортці. Рис.66. Система механічного телебачення з диском Нипкова: а – приймач випромінювання великої площі; б – невеликий приймач та конденсор; в – скануючий диск Мал. 67. Сканування щілиною в зенітному теплопеленгаторі Мал. 68. Скануючий пристрій з клиноподібними фільтрами.
h
Про l X 
а)
Оптико-механічне сканування.
Поряд із простим дзеркалом у системі сканування може використовуватися система дзеркал, дзеркальні призми, піраміди і т.д. (Рис.62-64). Як виконавчі механізми застосовуються крокові двигуни, кулачкові механізми і т.д.
Сканування дзеркалами:
розрізняють сканування у просторі предметів (дзеркало розміщується перед об'єктивом, рис.60) і сканування у просторі зображень (використовується ширококутний об'єктив, що забезпечує високу якість зображення по всьому полю огляду, дзеркало за ним, рис. 61).
4 – конденсор; 5 – приймач випромінювання; 6 – миттєве
дзеркало, що сканує; 2 – об'єктив; 3 – діафрагма;
Зенітний теплопеленгатор - одна з таких (її ілюструє рис. 67) проста за конструкцією та ефективна. Дзеркало (D~1500 мм, f~640 мм) створює зображення точкової мети у площині непрозорої діафрагми з вирізом, що обертається двигуном М2 (М1 – модулятор). Сигнал запитує неонову лампочку Л, яка обертається із частотою діафрагми М 2 у межах кола, зручного для сприйняття оператором. Легко бачити, що за умови точної орієнтації приймального дзеркала на ціль, лампочка окреслює повне коло і спалахує в певному секторі короткі моменти часу за інших умов.
Сканування версією в непрозорому екрані -
найпростіший спосіб сканування. Класичний приклад диска Нипкова. Приклад цих пристроїв показано на рис. 66,67. Отвір у диску Д (рис.66) розташований таким чином, що зображення, обмежене діафрагмою ДП послідовно аналізується рядками так, що коли один отвір виходить за межі вікна діафрагми ДП, інший виходить прокреслюючи наступний рядок. Одна з останніх конструкцій із зазначеним механізмом сканування – тепловізор “Янтар” (70-і роки, поле огляду 5х4, миттєве поле зору 5, частота кадрів 25 Гц), яким вдалося забезпечити мінімально виявлену різницю температур =0,2 – 0,3С.
(На рис.68 – ГКР – генератор кадрової та малої розгорток; КФГ, КФВ – клинові фільтри горизонтальної та вертикальної розгортки).
Сканування шляхом керування оптичними властивостями елементів, що входять до системи.
Управління здійснюється магнітним чи електричним полем. Відомо, наприклад, такі матеріали, як нітробензол, кварц, деякі кристали змінюють показник заломлення n при впливі електричного поля. Для сканування можна використовувати систему фільтрів як на рис.68, виконаних з шарів деяких матеріалів, що чергуються, наприклад, сульфіду цинку і креоліту. Такі фільтри пропускають лише монохроматичне випромінювання, довжина хвилі.
яких у чотири рази більше за товщину lфільтра. Якщо виготовити фільтр у вигляді клина і направити на нього монохроматичне випромінювання, останнє пройде тільки в тій частині, де товщина відповідає чверті довжини хвилі (за умови n
=
/4
). Ввівши другий фільтр, розгорнутий на 90, забезпечимо можливість проходження тільки тієї частини випромінювання, яка відповідає ділянкам фільтрів з товщиною 1/4. Підводячи до фільтрів напругу, можна переміщати лінії рівної товщини і т.п. забезпечити сканування зображення.