СПОСОБ ОЦЕНИВАНИЯ ЛИНЕЙНОГО РАЗРЕШЕНИЯ НА МЕСТНОСТИ ЦИФРОВЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АДАПТИВНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПОРОГОВОГО КОНТРАСТА Российский патент 2023 года по МПК G01M11/02 G06V20/17 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для квалиметрии цифровых оптико-электронных систем (ЦОЭС) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) при проведении летных испытаний ЦОЭС ДЗЗ.

Из уровня техники известен способ квалиметрии оптико-электронной системы летательного аппарата (ЛА), заключающийся в определении линейного разрешения на пиксель (патент на изобретение RU 2732784). Способ предусматривает размещение на земле штриховых мир видимого диапазона, выполнение летных экспериментов (ЛЭ) по аэросъемке штриховых мир при априорно заданных значениях высоты и курса полета летательного аппарата (ЛА), оборудованного оптико-электронной системой, затем дешифрирование полученных изображений операторами-дешифровщиками, увеличение масштаба изображения распознанной группы штрихов штриховой миры до предельного значения, когда отображается структура наименьшего элемента - пикселя, и определение линейного разрешения на пиксель, заключающееся в установлении величины минимального расстояния между соседними белыми штрихами миры распознанной группы штрихов, соответствующего одному пикселю. Недостатками данного способа является то, что он не позволяет количественно характеризовать изменение контраста с изменением пространственных частот на основе функции передачи модуляции (ФПМ) и требует проведение значительного количества ЛЭ.

Наиболее близким аналогом является способ квалиметрии ЦОЭС ДЗЗ, предусматривающий определение функции передачи модуляции ЦОЭС ДЗЗ в летных условиях (патент на изобретение RU №2789604), в соответствии с которым размещают на земле штриховые миры видимого диапазона, выполняют ЛЭ по аэросъемке штриховых мир при априорно заданных значениях высоты и курса полета ЛА, оборудованного ЦОЭС ДЗЗ, затем операторы-дешифровщики дешифрируют полученные изображения, рассчитывают численные значения пространственных частот штриховых мир, соответствующих распознанным операторами-дешифровщиками группам штрихов, последовательно определяют контрасты изображений распознанных групп штриховых мир для каждой пространственной частоты на основе измерений каждым оператором-дешифровщиком освещенностей пикселей, составляющих изображения светлых и темных штрихов распознанных групп штриховой миры, в значениях уровня тона от 0 до 255, вычисляют коэффициенты передачи модуляции для каждой пространственной частоты как отношение полученных контрастов изображений к фактическому модуляционному контрасту штриховых мир, далее определяют функцию передачи модуляции (ФПМ) ЦОЭС ДЗЗ в виде графика зависимости вычисленных коэффициентов передачи модуляции от пространственных частот, и аналитического выражения, соответствующего эмпирической зависимости, аппроксимирующей построенную графическую зависимости коэффициентов передачи модуляции от пространственной частоты экспоненциальной функцией с использованием метода наименьших квадратов. Недостатком этого технического решения является то, что он, в силу ограниченных возможностей, не предусматривает оценивание линейного разрешения на местности (ЛРМ).

Технической задачей заявляемого изобретения является расширение возможностей способа квалиметрии ЦОЭС ДЗЗ, основанного на определении ФПМ ЦОЭС ДЗЗ в летных условиях, реализовав возможность оценивания ЛРМ при выполнении минимального количества ЛЭ.

Решение технической задачи достигается за счет того, что размещают на земле штриховую миру видимого диапазона заданного контраста, выполняют ЛЭ по аэросъемке штриховой миры при априорно заданных значениях высоты, скорости и курса полета ЛА, оборудованного ЦОЭС ДЗЗ, в результате которого получают не менее 20 аэроснимков с изображениями штриховой миры, измеряют на полученных изображениях контрасты штриховой миры для каждой ее пространственной частоты, вычисляют коэффициенты передачи модуляции для каждой пространственной частоты штриховой миры как отношение измеренных контрастов на изображениях к заданному контрасту штриховой миры на местности, строят график экспериментальной ФПМ ЦОЭС ДЗЗ в прямоугольной системе координат, в которой по оси абсцисс откладывают значения пространственных частот штриховых мир, по оси ординат - значения вычисленных коэффициентов передачи модуляции, далее определяют экспериментальное значение ЛРМ ЦОЭС ДЗЗ как результат усреднения оценок ЛРМ, полученных не менее чем тремя операторами-дешифровщиками в результате дешифрирования изображений штриховой миры на полученных в полете не менее 20 аэроснимках, в соответствии с выражением , где - экспериментальное значение ЛРМ; - оценка ЛРМ k-го оператора-дешифровщика по i-му изображению штриховой миры, м; n - количество изображений штриховой миры, подвергнутых дешифрированию; m - количество операторов-дешифровщиков, определяют адаптивный показатель порогового контраста в виде значения ФПМ, равного значению ординаты точки на графике экспериментальной ФПМ, абсцисса которой равна значению пространственной частоты рассчитанному в соответствии с выражением где - пространственная частота, соответствующая экспериментальному значению ЛРМ, 1/мм; - фокусное расстояние объектива ЦОЭС, мм; Н - высота аэросъемки при выполнении летного эксперимента, м, определяют формулу расчета ФПМ в результате подстановки конкретных параметров ЦОЭС ДЗЗ в аналитическое выражение, равное произведению ФПМ отдельных звеньев ЦОЭС ДЗЗ (атмосферы, объектива, системы фокусировки, сдвига и вибраций, фоточувствительной матрицы, электронного тракта, устройства визуализации изображений; зрительного анализатора), строят график расчетной ФПМ по точкам с координатами где - значение ФПМ, рассчитанное в результате подстановки в формулу ФПМ значения пространственной частоты - значение пространственной частоты, при котором рассчитывают ЛРМ ЦОЭС ДЗЗ без выполнения ЛЭ в соответствии с выражением где - расчетное значение ЛРМ, м; - пространственная частота, равная значению абсциссы точки на графике расчетной ФПМ, ордината которой равна значению адаптивного показателя порогового контраста Н - высота аэросъемки при выполнении летного эксперимента, м; - фокусное расстояние объектива цифровой оптико-электронной системы, мм.

Технический результат, достигаемый совокупностью признаков заявляемого изобретения, состоит в уменьшении количества ЛЭ, потребных для оценивания ЛРМ.

Сущность изобретения заключается в следующей последовательности операций.

1. Построение графика экспериментальной ФПМ ЦОЭС ДЗЗ путем реализации известного способа определения функции передачи модуляции ЦОЭС ДЗЗ (патент RU №2789604), в соответствии с которым размещают на земле штриховую миру видимого диапазона заданного контраста, выполняют летный эксперимент по аэросъемке штриховой миры при априорно заданных значениях высоты, скорости и курса полета ЛА, оборудованного ЦОЭС ДЗЗ, в результате которого получают не менее 20 аэроснимков с изображениями штриховой миры, измеряют на полученных изображениях контрасты штриховой миры для каждой ее пространственной частоты, вычисляют коэффициенты передачи модуляции для каждой пространственной частоты штриховой миры как отношение измеренных контрастов на изображениях к заданному контрасту штриховой миры на местности, строят график экспериментальной ФПМ ЦОЭС ДЗЗ в прямоугольной системе координат, в которой по оси абсцисс откладывают значения пространственных частот штриховой миры, по оси ординат -значения вычисленных коэффициентов передачи модуляции.

2. Определение экспериментального значения ЛРМ ЦОЭС ДЗЗ как среднее арифметическое оценок ЛРМ, полученных не менее чем тремя операторами-дешифровщиками в результате дешифрирования изображений штриховых мир на полученных в полете не менее 20 аэроснимках, в соответствии с выражением:

где - экспериментальное значение ЛРМ; - оценка ЛРМ k-го оператора-дешифровщика по i-му изображению штриховой миры, м; n - количество изображений штриховой миры, подвергнутых дешифрированию; m - количество операторов-дешифровщиков

3. Определение АППК ЦОЭС ДЗЗ в виде значения ординаты точки на графике экспериментальной ФПМ, абсцисса которой равна значению пространственной частоты рассчитанному в соответствии с выражением:

где - пространственная частота, соответствующая экспериментальному значению ЛРМ, 1/мм; - фокусное расстояние объектива ЦОЭС, мм; Н - высота аэросъемки при выполнении полетов, по результатам которых определена экспериментальная ФПМ, м.

6. Определение формулы расчета ФПМ в результате подстановки конкретных параметров ЦОЭС ДЗЗ в аналитическое выражение, равное произведению ФПМ отдельных звеньев ЦОЭС ДЗЗ: атмосферы, объектива, системы фокусировки, сдвига и вибраций, фоточувствительной матрицы, электронного тракта, устройства визуализации изображений; зрительного анализатора [Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы смотрящего типа. - М.: Логос, 2004. - 444 с].

7. Построение графика расчетной ФПМ ЦОЭС по точкам с координатами где W_pq - значение ФПМ, рассчитанное в результате подстановки в формулу ФПМ значения пространственной частоты - значение пространственной частоты, при котором

8. Определение ЛРМ без выполнения ЛЭ с использованием рассчитанного АППК и графика расчетной ФПМ, в соответствии с выражением:

где - расчетное значение ЛРМ, м; - пространственная частота, равная значению абсциссы точки на графике расчетной ФПМ, ордината которой равна значению АППК Н - высота аэросъемки при выполнении ЛЭ, м; - фокусное расстояние объектива ЦОЭС, мм.

Технический результат, достигаемый совокупностью признаков заявляемого изобретения, состоит в уменьшении количества ЛЭ, потребных для оценивания ЛРМ.

Пример 1. Эффект от заявленного способа подтвержден при проведении летных испытаний цифровой аэрофотокамеры (ЦАФК), установленной на борту беспилотного летательного аппарата (БЛА).

Требуется оценить ЛРМ ЦАФК для высоты полета БЛА Н₀ при скоростях полета БЛА выдержках ЦАФК и фокусном расстоянии ЦАФК

В результате реализации заявленного способа:

выполнен один ЛЭ на высоте H₀ и скорости полета БЛА, в результате которого получено 20 аэроснимков с изображениями штриховых мир при работе ЦАФК с установленным временем выдержки на основе которых построен график экспериментальной ФПМ ЦАФК (фигура 1);

выполнено дешифрирование полученных в ходе ЛЭ 20 аэроснимков с изображениями штриховых мир тремя операторами-дешифровщиками и рассчитано значение ЛРМ ЦАФК по результатам ЛЭ как среднее арифметическое оценок ЛРМ, полученных каждым оператором-дешифровщиком: L=0,31 м;

рассчитано значение пространственной частоты, соответствующее полученному значению ЛРМ ЦАФК:

определено значение АППК ЦАФК по графику экспериментальной ФПМ как значение ординаты точки на графике (фигура 1), абсцисса которой равна рассчитанному значению пространственной частоты

построены графики расчетной ФПМ ЦАФК, соответствующие условиям, в которых необходимо оценить ЛРМ ЦАФК. На фигуре 2 представлены графики расчетной ФПМ ЦАФК: а - для условия, соответствующего высоте полета скорости полета времени выдержки ЦАФК б - для условия, соответствующего высоте полета Н₀, скорости полета времени выдержки ЦАФК в - для условия, соответствующего высоте полета скорости полета времени выдержки ЦАФК г - для условия, соответствующего высоте полета Н₀, скорости полета времени выдержки ЦАФК д - для условия, соответствующего высоте полета скорости полета времени выдержки ЦАФК е - для условия, соответствующего высоте полета скорости полета времени выдержки ЦАФК ж - для условия, соответствующего высоте полета скорости полета времени выдержки ЦАФК з - для условия, соответствующего высоте полета скорости полета времени выдержки ЦАФК

определены значения пространственной частоты с использованием рассчитанного АППК и графиков расчетной ФПМ ЦАФК (фигура 2)

и далее выполнен пересчет полученных значений пространственной частоты в ЛРМ (L₀) для заданных условий без выполнения ЛЭ; результаты расчетов представлены в таблице 1.

Для проверки достоверности полученных результатов выполнено сравнение расчетных оценок ЛРМ полученных в результате реализации заявленного способа, с экспериментальными оценками ЛРМ L, полученными по результатам летных испытаний, в ходе которых выполнено четыре ЛЭ в тех же условиях, при которых были получены расчетные оценки. Результаты сравнения представлены в таблице 2.

Данные таблицы 2 показывают, что эффект от реализации заявленного способа при проведении летных испытаний ЦАФК БЛА состоит в сокращении количества ЛЭ, потребных для оценивания ЛРМ ЦАФК (для оценки ЛРМ ЦАФК по программе испытаний выполнено 4 полета, оценка ЛРМ ЦАФК в соответствии с заявленным способом получена за 1 полет), за счет получения расчетных оценок ЛРМ ЦАФК с сохранением высокой достоверности расчетных оценок (сходимость расчетных оценок ЛРМ, полученных в соответствии с заявленным способом, с экспериментальными оценками ЛРМ, полученными по результатам ЛЭ, составляет до 90,6%).

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для квалиметрии цифровых оптико-электронных систем (ЦОЭС) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) при проведении летных испытаний ЦОЭС ДЗЗ. Сущность заявленного способа оценивания линейного разрешения на местности (ЛРМ) ЦОЭС ДЗЗ с использованием адаптивного показателя порогового контраста (АППК) заключается в следующем. Строится график экспериментальной функции передачи модуляции (ФПМ) ЦОЭС ДЗЗ путем реализации известного способа определения ФПМ ЦОЭС ДЗЗ, предусматривающего анализ изображений, полученных при выполнении полетов летательного аппарата, оборудованного ЦОЭС ДЗЗ, на аэросъемку местности с расположенными на ней штриховыми мирами. Определяется ЛРМ ЦОЭС ДЗЗ по результатам дешифрирования операторами-дешифровщиками изображений штриховых мир, по которым построен график экспериментальной ФПМ. Рассчитывается пространственная частота, соответствующая полученному значению ЛРМ. Рассчитанный АППК применяется для оценивания ЛРМ ЦОЭС ДЗЗ при использовании расчетной ФПМ без выполнения полетов. Для этого определяется расчетная ФПМ как произведение аналитических выражений частных ФПМ отдельных звеньев ЦОЭС ДЗЗ. Далее строится график расчетной ФПМ ЦОЭС ДЗЗ, на котором определяется пространственная частота и затем осуществляется пересчет полученного значения пространственной частоты в значение ЛРМ. Технический результат – уменьшение количества ЛЭ, необходимых для оценивания ЛРМ. 2 ил., 2 табл.

Способ оценивания линейного разрешения на местности цифровых оптико-электронных систем дистанционного зондирования Земли на основе использования адаптивного показателя порогового контраста, в соответствии с которым размещают на земле штриховую миру видимого диапазона заданного контраста, выполняют летный эксперимент по аэросъемке штриховой миры при априорно заданных значениях высоты, скорости и курса полета летательного аппарата, оборудованного цифровой оптико-электронной системой дистанционного зондирования Земли, в результате которого получают не менее 20 аэроснимков с изображениями штриховой миры, измеряют на полученных изображениях контрасты штриховой миры для каждой ее пространственной частоты, вычисляют коэффициенты передачи модуляции для каждой пространственной частоты штриховой миры как отношение измеренных контрастов на изображениях к заданному контрасту штриховой миры на местности, строят график экспериментальной функции передачи модуляции цифровой оптико-электронной системы дистанционного зондирования Земли в прямоугольной системе координат, в которой по оси абсцисс откладывают значения пространственных частот штриховой миры, по оси ординат - значения вычисленных коэффициентов передачи модуляции, далее определяют экспериментальное значение линейного разрешения на местности цифровой оптико-электронной системы дистанционного зондирования Земли как результат усреднения оценок линейного разрешения на местности, полученных не менее чем тремя операторами-дешифровщиками в результате дешифрирования изображений штриховой миры на полученных в полете не менее 20 аэроснимках, в соответствии с выражением , где L - экспериментальное значение линейного разрешения на местности; - оценка линейного разрешения на местности k-го оператора-дешифровщика по i-му изображению штриховой миры, м; i=1, …, n; k=1, m; n - количество изображений штриховой миры, подвергнутых дешифрированию; m - количество операторов-дешифровщиков, отличающийся тем, что определяют адаптивный показатель порогового контраста в виде значения функции передачи модуляции, равного значению ординаты точки на графике экспериментальной функции передачи модуляции, абсцисса которой равна значению пространственной частоты рассчитанному в соответствии с выражением где - пространственная частота, соответствующая экспериментальному значению линейного разрешения на местности, 1/мм; ƒ' - фокусное расстояние объектива цифровой оптико-электронной системы, мм; Н - высота аэросъемки при выполнении летного эксперимента, м,

определяют формулу расчета функции передачи модуляции в результате подстановки конкретных параметров цифровой оптико-электронной системы дистанционного зондирования Земли в аналитическое выражение, равное произведению функций передачи модуляции отдельных звеньев цифровой оптико-электронной системы дистанционного зондирования Земли: атмосферы, объектива, системы фокусировки, сдвига и вибраций, фоточувствительной матрицы, электронного тракта, устройства визуализации изображений; зрительного анализатора,

строят график расчетной функции передачи модуляции по точкам с координатами где - значение функции передачи модуляции, рассчитанное в результате подстановки в формулу функции передачи модуляции значения пространственной частоты - - значение пространственной частоты, при котором рассчитывают линейное разрешение на местности цифровой оптико-электронной системы дистанционного зондирования Земли без выполнения летных экспериментов в соответствии с выражением где - расчетное значение линейного разрешения на местности, м; - пространственная частота, равная значению абсциссы точки на графике расчетной функции передачи модуляции, ордината которой равна значению адаптивного показателя порогового контраста Н - высота аэросъемки при выполнении летного эксперимента, м; ƒ' - фокусное расстояние объектива цифровой оптико-электронной системы, мм.