Способ достижения дифракционного разрешения цветных изображений дистанционного зондирования Земли для малых космических аппаратов Российский патент 2024 года по МПК G01C11/02 B64G4/00 

Заявляемое изобретение относится к области оптического приборостроения, а, в частности, космического приборостроения оптико-электронной аппаратуры (ОЭА) малых космических аппаратов дистанционного зондирования Земли (МКА ДЗЗ), и предназначено для получения в условиях атмосферных искажений одноцветных и полноцветного изображений ДЗЗ дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум.

Анализ мировых тенденций развития аппаратуры и технологий построения и использования средств ДЗЗ показывает повышенный интерес к созданию и применению группировок МКА ДЗЗ, обеспечивающих возможность наблюдения «…любого участка земной поверхности в любое время…» с высоким пространственным разрешением. Подобные группировки могут состоять из 50÷60 МКА ДЗЗ, расположенных на низких круговых солнечно-синхронных орбитах. Орбитальное положение МКА в группировке выбирается и поддерживается таким, чтобы обеспечивать минимальное время подлета к зоне интереса. При указанном числе МКА перерывы в наблюдении произвольных участков земной поверхности могут составлять 20÷30 минут. ОЭА таких МКА ДЗЗ должна иметь высокую разрешающую способность при малых весах и габаритах.

Каждый МКА в группировке должен обеспечивать максимально возможное время наблюдения выбранного участка земной поверхности с максимальным (дифракционным) разрешением, при этом требования к МКА ДЗЗ по его производительности, определяемой размером поля зрения ОЭА, здесь не предъявляются, вследствие большого количества МКА.

Рассмотрим особенности влияния атмосферы на системы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

Средой распространения, отраженного от Земли солнечного излучения подсвета, является тропосфера (нижние 10 км приземного слоя атмосферы). В иностранной литературе для характеристики атмосферы, как среды распространения светового излучения используют два термина: "turbid", что означает «мутный», и "turbulent", что означает «неспокойный».

Как мутная среда, атмосфера приводит к ослаблению светового излучения и уменьшению отношения сигнал/шум изображений ДЗЗ. Причиной этого являются поглощение и рассеяние света молекулами и аэрозолями атмосферы, которые обычно учитываются введением соответствующих коэффициентов ослабления, определяемых по таблицам.

Как турбулентная среда, атмосфера приводит к случайным изменениям параметров светового информационного сигнала, и ее наличие между зондируемым участком земной поверхности и МКА ДЗЗ ограничивает информационные возможности МКА ДЗЗ. Возникают две проблемы: проблема «видения» через турбулентную атмосферу и проблема «изопланатичности» (пространственной инвариантности) системы атмосфера-телескоп ДЗЗ.

Суть этих проблем состоит в том, что первая накладывает ограничения на минимальный размер деталей, разрешаемых системой атмосфера-телескоп ДЗЗ на зондируемом участке земной поверхности, а проблема «изопланатичности» ограничивает максимальный размер зондируемого участка земной поверхности, который еще является пространственно-инвариантным к атмосферным искажениям.

Эти проблемы существенно зависят от условий наблюдения, и в частности, от времени экспонирования. Так, если время экспонирования τ_Э превышает интервал временной корреляции атмосферных флуктуаций τ_А, называемый временем «замороженности» турбулентности атмосферы, то говорят о длинно-экспозиционной регистрации, а, если время регистрации τ_Э меньше τ_А, то говорят о коротко-экспозиционной регистрации [1] (Fried, D.L. Optical Resolution through a Randomly Inhomogeneous Medium for Very Long and Very Short Exposures / D.L. Fried // J. Opt. Soc. Am. - 1966. - V.56. - №10. -P.1372-1376).

Эти два крайних случая существенно отличаются характером атмосферных искажений. Так, если длинно-экспозиционное изображение, усредненное по атмосферным искажениям за время τ_Э>τ_А, обладает худшим разрешением, чем «мгновенное» (коротко-экспозиционное) изображение, регистрируемое за время τ_Э<τ_А, то оно является пространственно-инвариантным к атмосферным искажениям во всем поле зрения системы атмосфера-телескоп, в отличие от коротко-экспозиционного изображения, состоящего в этом поле из ряда областей, пространственно-инвариантных к атмосферным искажениям [2](Свиридов, К.Н. Проблема изопланатичности оптических систем, формирующих изображения через турбулентную атмосферу / К.Н. Свиридов, П.А. Бакут, Н.Д. Устинов, Н.Ю. Хомич // Оптика и спектроскопия. - 1986. - Т.60. - Вып. 3. - С.611-615).

В соответствии с этими особенностями влияния турбулентной атмосферы на изображения, на ранней стадии развития технологий ДЗЗ желание работать в широком поле зрения (с максимальной производительностью) стимулировало получение длинно-экспозиционных изображений ДЗЗ,

как в отечественных КА ДЗЗ:

- «Ресурс-П» [3] (Кирилин, А.Н. Космический аппарат «Ресурс-П» / А.Н. Кирилин и др. // Геоматика. - 2010. - №4. - С.23-26);

- «Канопус-В» [4] (Макриденко, Л.А. История создания малых космических аппаратов «Канопус-В» №1 и Белорусского КА. / Л.А. Макриденко, С.Н. Волков и др. - М.: АО «Корпорация «ВНИИЭМ». - 2012. - 72 с);

- «Аист-2Д» [5] (Кирилин, А.Н. Опытно-технологический малый космический аппарат «АИСТ-2Д» / А.Н. Кирилин, Р.Н. Ахметов, Е.В. Шахматов // Самара: Изд-во Сам НЦ РАН. - 2017. - 324 с),

так и в зарубежных КА ДЗЗ:

- IKONOS, QuickBird, EROS, Pleiades, WorldView, GeoEye и др. [6] (Лавров, В.В. Космические съемочные системы сверхвысокого разрешения / B.В. Лавров // Гео информационный портал ГИС Ассоциации. - 2010. - №2. - C. 19-24).

Эти публикации [3,4,5,6] мы рассматриваем здесь, как аналоги предлагаемого способа в части получения черно-белых панхроматических изображений ДЗЗ, искаженных атмосферой. Используемая в них технология детектирования, а именно, временной задержки и накопления (ВЗН [3,4,5], TDI [6]) приводит к регистрации длинно-экспозиционного изображения, усредненного по атмосферным искажениям и пространственно-инвариантного к ним.

Недостатком существующих технологий ДЗЗ [3,4,5,6], является отсутствие в них какой-либо обработки, осуществляющей устранение атмосферных искажений зарегистрированного длинно-экспозиционного изображения.

Однако, более существенным недостатком аналогов, как и всех существующих КА ДЗЗ, является рассогласование пространственного разрешения объектива и цифрового детектора ОЭА КА ДЗЗ по критерию Найквиста, в соответствии с которым на дифракционный элемент разрешения объектива (радиус диска Эри) λF/D должны приходиться, как минимум, два (вдоль линии) элемента разрешения (пикселя) 2d цифрового детектора.

Оба эти недостатка аналогов устранены в прототипе.

В качестве прототипа предлагаемого способа взято изобретение [7] (Свиридов, К.Н. Патент №2730886 Российской Федерации, МПК G02B 7/02. Способ достижения дифракционного предела разрешения изображений дистанционного зондирования Земли для малых космических аппаратов / К.Н. Свиридов, А.Е. Тюлин, Ю.М. Гектин // Заявитель и правообладатель АО «Российские космические системы»; заявлено 04.10.2019; опубликовано 26.08.2020, Бюллетень №24, 35 с).

Прототип можно отнести к аппаратурно-алгоритмическим технологиям достижения дифракционного пространственного разрешения МКА ДЗЗ на местности.

При этом первая аппаратурная технология прототипа [7] заключается в совершенном проектировании ОЭА [8] (Свиридов, К.Н. О проектировании оптико-электронной аппаратуры космических аппаратов дистанционного зондирования Земли / К.Н. Свиридов, А.Е. Тюлин // Информация и Космос. - 2018. - №4. - С.136-145.), основанном на согласовании объектива и цифрового детектора ОЭА по критерию Найквиста на базе критерия РКС оценки линейного пространственного разрешения КА ДЗЗ на местности R_PKC, предложенного в [9] (Свиридов, К.Н. О предельном инструментальном разрешении космического аппарата «Ресурс-П» (№1,2,3)» / К.Н. Свиридов // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. - 2017. - Т.4. - Вып.2. - С.20-28.) и обоснованного в [10] (Свиридов, К.Н. О критериях оценки предельного инструментального разрешения космического аппарата дистанционного зондирования Земли на местности / К.Н. Свиридов, А.Е. Тюлин // Информация и Космос.- 2018. - №3. - С.143-146). Это устраняет инструментальные ограничения разрешения, обусловленные рассогласованием ОЭА по критерию Найквиста, и обеспечивает возможность достижения дифракционного пространственного разрешения МКА ДЗЗ на местности при компенсации атмосферных искажений.

Вторая аппаратурная технология прототипа [7] реализуется на этапе детектирования и регистрации в панхроматическом спектральном диапазоне Δλ_П=(0,43-0,93) мкм серии из N коротко-экспозиционных (τ_Э≤τ_А) изображений зондируемого участка земной поверхности, статистически независимых по атмосферным искажениям и пространственно-инвариантных к ним. Аппаратурная технология коротко-экспозиционной регистрации «мгновенных», независимых изображений позволяет устранить, не только временное усреднение атмосферных искажений каждого изображения в серии, но и смаз каждого изображения. Устранению смаза регистрируемых изображений, помимо короткой экспозиции, способствует также осуществление программных разворотов МКА относительно его центра масс для замедления движения регистрируемого изображения зондируемого участка земной поверхности по приемной матрице цифрового детектора.

Алгоритмическая технология прототипа реализуется на этапе обработки серии из N коротко-экспозиционных, статистически независимых изображений и направлена на формирование дифракционного изображения зондируемого участка земной поверхности с высоким отношением сигнал/шум, для чего сначала анализируют зарегистрированную серию из N дифракционных, случайно сдвинутых и ослабленных атмосферой изображений и отбирают в ней М изображений наилучшего качества, отбраковывая наиболее размытые и зашумленные. Затем суммируют отобранные изображения и формируют эталонное изображение зондируемого участка земной поверхности, определяют в нем характерные особенности (опорные ориентиры) зондируемого участка земной поверхности и сравнивают каждое из М отобранных коротко-экспозиционных изображений с эталонным, определяя в них характерные особенности эталона. Далее сдвигают коротко-экспозиционные изображения, совмещая их характерные особенности с характерными особенностями эталона, и компенсируют при этом атмосферные сдвиги изображений, после чего суммируют сдвинутые коротко-экспозиционные изображения, увеличивая отношение сигнал/шум результирующего изображения в раз, и получают дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум панхроматическое черно-белое изображение зондируемого участка земной поверхности для задач ДЗЗ сверхвысокого разрешения.

Основным недостатком прототипа является невозможность получения в нем, как и в аналогах, полноцветного изображения зондируемого участка земной поверхности с дифракционным пространственным разрешением.

Рассмотрим возможные способы получения полноцветного изображения в цифровых съемочных системах.

Реально элемент дискретизации (пиксель) цифровой ПЗС (или КМОП) матрицы может регистрировать только яркость точки изображения, сформированного объективом, но не в состоянии определить ее цвет. Поэтому производители цифровой фототехники постоянно разрабатывают новые и совершенствуют существующие способы регистрации цвета. Большинство решений, использующихся сегодня в цифровой фототехнике, в той или иной степени было опробовано в аналоговой (пленочной) фотографии. При генерации цветного изображения любое техническое устройство использует цветовой синтез, то есть процесс, при котором смешиваются несколько монохромных (состоящих из оттенков только одного цвета) сигналов, описывающих изображение. Цвет каждого из монохромных сигналов называется основным, так как совокупность основных сигналов различной интенсивности позволяет воссоздать любой оттенок из всего множества цветов. При аддитивном синтезе основными цветами являются цвета излучения. В частности, при трехцветном синтезе используют красный (red-R), зеленый (green-G) и синий (blue-B) цвета, а сам синтез обозначается английской аббревиатурой RGB. Эти цвета линейно независимы, то есть ни один из них не может быть получен из двух других, путем оптического смешения излучений. С помощью их смешения синтезируются все другие цвета. В цифровых фотографических системах для получения полноцветных изображений наибольшую популярность получила аддитивная схема, разработанная в 1976 г. доктором Брайсом Байером, сотрудником Концерна Eastman Kodak. В Байеровской схеме [11] (Bayer, В.Е. Color Imaging Array / В.Е. Bayer // US patent 3.971.065. - 1976) каждый пиксель матрицы закрыт светофильтром одного из цветов RGB синтеза, образуя подобие шахматной доски, в которой вместо белых клеток-зеленые, а вместо черных-поровну красные и синие.

Избыток зеленых элементов обусловлен тем, что человеческое зрение наиболее чувствительно к зеленым оттенкам, а кроме того, спектральная чувствительность ПЗС матрицы выше всего также в зеленом диапазоне спектра. При съемке с RGB матрицей Байера получается изображение, состоящее из 50% зеленой составляющей исходного кадра, а также из 25% синей и 25% красной составляющих. Снимок представляет собой разноцветную, но не полноцветную мозаику. Из этой мозаики полноцветное изображение создается интерполяцией цвета, например, по следующей схеме. Синий пиксель окружен четырьмя зелеными и четырьмя красными. Берется среднее значение между верхним и нижним зелеными пикселями, затем среднее между левым и правым. Далее из этих двух средних значений вычисляется третье и присваивается нашему синему пикселю в качестве зеленой составляющей. Подобная процедура повторяется с красными пикселями, в результате чего получается полноцветный пиксель. Такая интерполяция цвета, объединяющая информацию от соседних пикселей, фактически увеличивает размер полноцветного пикселя, ухудшая степень согласования объектива и цифрового детектора по критерию Найквиста, а, тем самым, ухудшая пространственное разрешение КА ДЗЗ. Такая потеря пространственного разрешения была бы и в прототипе [7] при получении в нем полноцветного изображения с использованием матрицы Байера и интерполяции цвета.

Заметим, что аналогичная ситуация с потерей пространственного разрешения имеет место в мультиспектральных каналах КА ДЗЗ, когда осуществляют бинирование, то есть, суммируют сигналы соседних пикселей, ослабленные спектральной фильтрацией, объединяя соседние пиксели в один. Бинирование усиливает суммарный сигнал, но фактически увеличивает размер объединенного пикселя, ухудшающая согласование по критерию Найквиста объектива и цифрового детектора ОЭА. Это приводит к худшему пространственному разрешению мультиспектральных каналов относительно панхроматического канала во всех существующих КА ДЗЗ.

Другим возможным подходом к получению полноцветных изображений в прототипе [7] могло бы быть использование в качестве цифрового детектора трехслойной ПЗС матрицы ХЗ компании Foveon [12] (Lion, R.F. Eyeing the Camera: into the Next Century / R.F. Lion, P.M. Hubel, Foveon Inc., Santa Clara, CA USA // 10th Color Imaging Conference, Springfield, VA USA. - 2002. - P.349-355), в которой цветоделение на основные RGB цвета производится послойно в толще полупроводникового материала с использованием физических свойств кремния, заключающихся в том, что с увеличением длины волны светового излучения растет и глубина их проникновения в кремний.

Фотодиоды, созданные чередованием зон проникновения света, размещают один под другим на характерных глубинах для улавливания фотонов синего, зеленого и красного цветов. Синяя часть спектра поглощается верхним слоем (толщиной 0,2 мкм), зеленая средним (толщиной 0,4 мкм), а красная - нижним (более 2 мкм). Толщина каждого слоя выбрана по результатам экспериментальных исследований глубины проникновения квантов соответствующего спектрального диапазона в кремний. Слои, в которых происходит фотоэффект, разделены дополнительными тонкими зонами низколегированного кремния и имеют отдельные выводы сигнала. Таким образом, получается датчик, в котором цвет регистрируется, как в классической цветной пленочной фотографии, то есть здесь информация о трех основных цветовых компонентах изображения регистрируется в каждом пикселе. Такое детектирование позволяет получать полноцветное изображение без интерполяции и бинирования при однократной экспозиции. Однако, такому детектированию присущи свои недостатки. Поскольку поглощение красной части спектра происходит на максимальной глубине, то в результате паразитной диффузии фотоэлектронов и засветки косыми лучами, в области максимальных длин волн происходит размытие изображения. Этот эффект затрудняет уменьшение размера пикселя и ограничивает предельно достижимое пространственное разрешение. К недостаткам «трехслойных» фото матриц следует также отнести невысокую точность цветопередачи, так как в наибольшей степени она определяется свойствами кремния, и относительно высокий уровень цифрового шума, так как часть фотонов поглощается в «не своей» области. Существенным недостатком таких матриц, ограничивающих их применение в ДЗЗ, является малый динамический диапазон.

Предлагаемый здесь способ получения полноцветных изображений ДЗЗ свободен от отмеченных недостатков цветовых аналогов [11, 12].

Техническим результатом (целью) предлагаемого изобретения является получение в условиях атмосферных искажений одноцветных и полноцветного изображений ДЗЗ дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум.

Технический результат достигается тем, что к полученному в соответствии с прототипом в панхроматическом спектральном диапазоне Δλ_П=(0,45-0,90)мкм результирующему черно-белому изображению ДЗЗ I_РП дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум, при формировании изображений ДЗЗ дополнительно осуществляют их спектральную фильтрацию последовательно в трех спектральных диапазонах: красном Δλ_К=(0,63-0,73)мкм, зеленом Δλ_З=(0,53-0,63)мкм и синем ΔΔ_С=(0,43-0,53)мкм, а перед детектированием усиливают яркость сформированных изображений и детектируют N_Ц (где N_Ц=N_К+N_З+N_С) коротко-экспозиционных и независимых изображений ДЗЗ в трех спектральных диапазонах: красном - N_К, зеленом - N_З и синем - N_С, получая при этом три серии дифракционных, но случайно сдвинутых и ослабленных атмосферой мгновенных изображений ДЗЗ, далее при обработке каждой из N_Ц (где ц=к, з, с) зарегистрированных серий осуществляют в них отбор М_Ц изображений наилучшего качества, отбраковывая наиболее размытые и зашумленные, а, сдвигая и суммируя отобранные изображения, компенсируют атмосферные случайные сдвиги и ослабления изображений, увеличивая отношение сигнал/шум каждого результирующего изображения в раз, и получают для каждой серии дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум, соответственно, красное, зеленое и синее результирующие одноцветные изображения, далее объединяют все результирующие изображения, совмещая характерные особенности (опорные ориентиры) трех одноцветных изображений с опорными ориентирами панхроматического изображения и формируют при таком объединении результирующих изображений дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум одно полноцветное изображение зондируемого участка земной поверхности для картографии, геологоразведки и других задач ДЗЗ сверхвысокого разрешения, а, анализируя одноцветные результирующие изображения дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум, осуществляют высокодетальную (дифракционного качества) многозональную тематическую обработку, при которой в интересах различных потребителей отслеживают мельчайшие изменения состояний естественных и искусственных объектов на зондируемом участке земной поверхности.

Признаки и суть заявляемого изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее:

На Фиг. 1 представлен Вариант схемы реализации заявляемого способа.

Здесь на Фиг. 1 а дана Структурная схема канала формирования изображений ДЗЗ, в которой:

1 - телескопический объектив с диаметром апертуры D и фокусным расстоянием F, который содержит зеркальную оптику, построенную по схеме Ричи-Кретьена или Долла-Киркхема, и изготовлен полностью из карбида кремния (SiC), что обеспечивает его малый вес, требуемый при создании МКА ДЗЗ;

2 - фокальная плоскость объектива - плоскость формируемых изображений F;

3 - фото увеличительная оптика с увеличением М^Х=К, которая обеспечивает согласование объектива и цифрового детектора по критерию Найквиста. Здесь К - коэффициент несовершенства проектирования ОЭА, определяемый отношением частоты отсечки объектива ƒ_D/λF к частоте Найквиста цифрового детектора f_1/2d, и равный K=2dD/λF. При совершенном (согласованном по Найквисту) проектировании ОЭА К=1 и λF/D=2d. В качестве фото увеличительной оптики могут быть использованы стандартные микрообъективы. Введение здесь между объективом и цифровым детектором фото увеличительной оптики, удлиняющей фокусное расстояние объектива F, до величины F_C=FK, в отличие от использования для этой цели одного длиннофокусного объектива, позволяет уменьшить габариты ОЭА. Величина требуемого увеличения М^X определяется коэффициентом несовершенства проектирования ОЭА К, то есть степенью рассогласования объектива и цифрового детектора по критерию Найквиста. Работа в узком поле зрения длинно фокусной сборки объектив - фото увеличительная оптика обеспечивает получение изображений ДЗЗ, пространственно-инвариантных к атмосферным искажениям;

4 - вращаемое колесо (турель) с тремя интерференционными светофильтрами, каждый из которых позволяет выделить необходимый спектральный диапазон и полосу принимаемого светового излучения Δλ_K, Δλ_З, Δλ_С и одним прозрачным окном для формирования панхроматических изображений Δλ_П;

5 - плоскость формируемых и детектируемых изображений F_С, F_С=FK.

Рассмотрев элементы структурной схемы канала формирования изображений, перейдем к рассмотрению следующего за ним информационного канала детектирования и регистрации изображений ДЗЗ. Обобщенная Структурная схема канала детектирования и регистрации изображений ДЗЗ представлена на Фиг. 1б, где:

5 - плоскость формируемых и детектируемых изображений F_С;

6 - электромеханический затвор, осуществляющий выбор времени экспозиции каждого регистрируемого кадра τ_Э, меньшим времени «замороженности» турбулентностей атмосферы τ_Э≤τ_А, τ_А=1 мсек, обеспечивая отсутствие временного усреднения атмосферных искажений и возможных смазов каждого регистрируемого изображения. При регистрации серии коротко-экспозиционных изображений обеспечивают их статистическую независимость друг от друга по атмосферным искажениям. Для этого выбирают промежуток времени между отдельными коротко-экспозиционными регистрациями в серии τ_П, превышающим инерционность цифрового детектора τ_Д. Для устранения влияния инерционности детектора регистрируют выборочные кадры, а не все подряд, и между регистрациями очищают детектор от остаточного заряда. Затвор-6, осуществляя реализацию стратегии «выборочного кадра», подробно описанную в прототипе, экспонирует только один кадр цифрового детектора из каждых восьми. При заданной затвором производительности цикла детектирования 14% практически регистрируются только 7 кадров в секунду с промежутком времени между экспонируемыми изображениями τ_П=6 τ_К=120 мсек, где τ_К - время одного кадра, τ_К=20 мсек при частоте кадров 50 Гц для ПЗС матрицы. Для матрицы КМОП с частотой кадров 33 Гц и τ_К=30 мсек регистрируют 7 кадров в секунду с производительностью цикла детектирования 21% и тем же промежутком между регистрациями τ_П=4 τ_К=120 мсек. Наличие такого промежутка между регистрациями τ_П>τ_Д способствует тому, что регистрируемые коротко-экспозиционные изображения являются независимыми друг от друга по атмосферным искажениям и свободны от эффектов инерционности цифрового детектора. Оба эти результата работы затвора-6 свидетельствуют об отсутствии временного усреднения коротко-экспозиционных изображений ДЗЗ, получаемых для последующей обработки серий.

7 - усилитель яркости изображений, необходимость использования которого в канале детектирования и регистрации изображений обусловлена существенным ослаблением принимаемого светового излучения в канале формирования изображений при их увеличении в 3 и фильтрации в 4. Усилитель яркости 7, во-первых, устраняет необходимость бинирования (объединения) соседних пикселей в один большой для усиления суммарного сигнала с потерей разрешения, и, во-вторых, обеспечивает работу цифрового детектора 9 с преобладающими квантовыми шумами, оптимизируя процесс детектирования по шумам [13] (Свиридов, К.Н. Технологии достижения высокого углового разрешения оптических систем атмосферного «видения» / К.Н. Свиридов // М.: изд. «Знание». - 2005. - 452 с.). В качестве усилителя яркости изображений в МКА ДЗЗ целесообразно использовать микроканальные пластины (МКП), обладающие меньшими весами и габаритами по сравнению с электронно-оптическими преобразователями (ЭОП);

8 - оптика переноса, которая проецирует изображение ДЗЗ с выхода усилителя 7 на вход цифрового детектора 9 без изменений ракурса. Обычно ее выполняют в виде набора линз или с помощью волоконной оптики, обладающей меньшими потерями света при передаче изображения;

9 - цифровой детектор {ПЗС матрица или КМОП матрица} с элементом дискретизации (пикселем) d предназначен для детектирования и регистрации серий из N_Ц коротко-экспозиционных, статистически независимых черно-белых (панхроматических) и одноцветных (красных, зеленых, синих) изображений. Для получения цветных изображений зондируемого участка земной поверхности используют колесо (турель) со светофильтрами 4, вращая которое, последовательно регистрируют 4 серии из N_ЦП=N_П+N_Ц, (где ц=к, з, с) спектрально-фильтруемых коротко-экспозиционных изображений, алгоритмически объединяемых затем в канале обработки изображений. Такое формирование, детектирование и обработка изображений ДЗЗ позволяют получать результирующее полноцветное дифракционное изображение без интерполяции, ухудшающей пространственное разрешение полноцветных изображений в цифровых съемочных системах с Байеровским фильтром.

При стратегии детектирования «выборочного кадра» работа цифрового детектора 9 осуществляется как в прототипе [7], когда кадр 1 используют для записи сформированного изображения на мишень, кадр 2 используют для считывания изображения с мишени и формирования видеосигнала, а кадры 3+8 используют для насыщения и стирания мишени цифрового детектора 9;

10 - цифровая система обработки видеосигналов предназначена для оцифровки серии из N_ЦП коротко-экспозиционных изображений, поступающих с цифрового детектора 9. Оцифрованные в 10 изображения зондируемого участка земной поверхности записываются в буферную память бортового компьютера Н;

11 - бортовой компьютер осуществляет программные развороты МКА ДЗЗ вокруг центра масс для замедления движения детектируемых изображений по входной матрице цифрового детектора и передает оцифрованные изображения из буферной памяти на кодирующее устройство 12;

12 - кодирующее устройство сжимает и кодирует информацию для ее передачи на Землю;

13 - бортовой радиопередатчик передает информацию с кодирующего устройства 12 по радиолинии на Землю для последующей обработки N_ЦП изображений.

Обработка серий коротко-экспозиционных, статистически независимых по атмосферным искажениям изображений зондируемого участка земной поверхности, полученных на борту МКА ДЗЗ последовательно в разных спектральных диапазонах в соответствии с Фиг. 1а и Фиг. 1б и переданных по радиолинии на Земля, осуществляется по схеме, представленной на Фиг. 1в.

Здесь на Фиг. 1в дана Структурная схема канала обработки изображений ДЗЗ, в которой:

14 - наземный радиоприемник принимает по радиолинии информацию с бортового радиопередатчика 13;

15 -декодирующее устройство преобразует информацию, полученную в 14, к виду, удобному для записи в память вычислительных средств 16;

16 - вычислительные средства, ЭВМ, предназначены для реализации на Земле алгоритма 18 обработки серий изображений с МКА ДЗЗ;

17 - программное обеспечение (ПО) вычислительных средств 16 предназначено для организации работы вычислительных средств и, в частности, для реализации алгоритма 18 обработки изображений ДЗЗ;

18 - алгоритм обработки изображений ДЗЗ, который представляет последовательность операций над зарегистрированными сериями N_ЦП коротко-экспозиционных изображений, обеспечивающую достижение дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум одноцветных и полноцветного изображений ДЗЗ в условиях атмосферных искажений.

19 - АРМ оператора предназначено для контроля процесса обработки изображений и анализа их качества (разрешения и контраста) в процессе реализации алгоритма 18 обработки изображений ДЗЗ;

20 - потребители полноцветных изображений ДЗЗ сверхвысокого линейного пространственного разрешения КА ДЗЗ на местности (R_ЛРМ<1 м), а также потребители информации многозональной тематической обработки.

На Фиг. 2 представлена Блок-схема последовательности операций алгоритма обработки 18 (Фиг. 1 в) зарегистрированных серий N_ЦП коротко-экспозиционных изображений зондируемого участка земной поверхности, последовательно полученных в 4-х разных спектральных диапазонах, получения и объединения 4-х результирующих изображений: одного черно-белого (панхроматического) и трех одноцветных (красного, зеленого и синего) дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум для формирования полноцветного изображения зондируемого участка земной поверхности дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум.

Работа системы дистанционного зондирования Земли по представленным на Фиг. 1 структурным схемам в целом осуществляется, как и в прототипе.

Отличие от прототипа здесь заключается, во-первых, в дополнительном получении серий одноцветных (красных, зеленых и синих) коротко-экспозиционных изображений, во-вторых, в усилении яркости сформированных изображений, ослабленных согласующим фотоувеличением и спектральной фильтрацией и, в-третьих, в последовательности операций совместной обработки серии черно-белых (панхроматических) изображений с сериями одноцветных (красных, зеленых и синих) изображений.

Первая технология предлагаемого способа (технология получения одноцветных изображений ДЗЗ) и вторая технология (технология усиления яркости сформированных изображений) являются аппаратурными, а третья технология предлагаемого способа (технология совместной обработки черно-белого и одноцветных изображений ДЗЗ) является алгоритмической, и только вместе они обеспечивают получение в условиях атмосферных искажений одного полноцветного и трех одноцветных изображений ДЗЗ дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум.

Дадим обоснование предлагаемого способа как в части реализации технологии получения серий одноцветных изображений путем спектральной фильтрации формируемых изображений в 4 (Фиг. 1а), усиления их яркости в 7 перед детектированием в 9 (Фиг. 1б), так и в части алгоритмического обеспечения 18 (Фиг. 1в) технологии обработки зарегистрированных серий из N_ЦП коротко-экспозиционных изображений ДЗЗ, независимых друг от друга по атмосферным искажениям, но случайно сдвинутых и ослабленных атмосферой.

В соответствии с прототипом, задав исходные данные для реального проектирования ОЭА МКА ДЗЗ такие, например, как: R_ЛРМ=0,6м, Н=600 км, λ=0,6 мкм, d=4,6 мкм и осуществив совершенное проектирование ОЭА, согласовав объектив и цифровой детектор ОЭА по критерию Найквиста, определяют требуемый диаметр апертуры объектива проектируемой ОЭА D=0,6м и согласующее фокусное расстояние проектируемой ОЭА F_С=9,2 м.

Полученная в результате совершенного проектирования ОЭА представлена на Фиг. 1а и Фиг. 1б.

При реализации результатов совершенного проектирования создают спроектированную ОЭА, содержащую выбранный цифровой детектор-9 с пикселем d и сборку объектива и фото увеличительной оптики -1,3 с диаметром D и фокусным расстоянием F_С, далее размещают созданную ОЭА на борту МКА ДЗЗ, выводят МКА на орбиту и осуществляют дистанционное зондирование наблюдаемых участков земной поверхности, для чего в режиме орбитальной ориентации МКА ДЗЗ производят его программные развороты вокруг центра масс в продольном направлении, и при этом, подлетая к объекту наблюдения по орбите на расстояние, равное высоте полета Н, МКА ДЗЗ наводит на него ОЭА и, препятствуя возникновению смазов изображений, удерживает ОЭА в направлении зондируемого участка до тех пор, пока МКА не удалится от него по орбите на такое же расстояние Н, одновременно с этими разворотами, на борту МКА ДЗЗ в узком поле зрения сборки объектива (Фиг. 1а) получают серию из N_П коротко-экспозиционных (τ_Э≤τ_А) в 9 (Фиг. 1б) панхроматических (черно-белых) изображений зондируемого участка земной поверхности, статистически независимых по атмосферным искажениям (τ_П=6 τ_К>τ_Д). В соответствии с предлагаемым способом для получения серий одноцветных изображений дополнительно к черно-белым в канале формирования изображений Фиг. 1а осуществляют спектральную фильтрацию принимаемого светового излучения последовательно в трех спектральных диапазонах: красном Δλ_К=(0,63-0,73) мкм, зеленом Δλ_З=(0,53-0,63) мкм и синем Δλ_С=(0,43-0,53) мкм с помощью вращаемого колеса (турели) 4, содержащего три цветных светофильтра и одно прозрачное окно для упомянутого выше панхроматического диапазона Δλ_П=(0,43-0,93)мкм. Удерживая ОЭА на зондируемом участке с помощью турели 4 вводят в формирующий изображения световой поток красный светофильтр и регистрируют N_К красных изображений, затем поворачивая турель 4, вводят в формирующий световой поток зеленый светофильтр и регистрируют N_З зеленых изображений, после чего турелью 4 вводят в формирующий изображения световой поток синий светофильтр и регистрируют N_С синих изображений. В результате получают N_ЦП изображений, где N_ЦП=N_П+N_Ц, a N_Ц=N_К+N_З+N_С. Оценим эти величины.

В рассмотренном примере, регистрация изображений зондируемого участка земной поверхности осуществляется при программных разворотах МКА ДЗЗ вокруг центра масс для удержания ОЭА, нацеленной на этот участок. При этом МКА ДЗЗ проходит 1200 км со скоростью 7 км/сек, и общее время регистрации составляет 170 сек. Учитывая, что стратегией «выборочного кадра» регистрируют 7 кадров в секунду, получаем, что за время наблюдения в 170 сек регистрируется N_ЦП=1190 коротко-экспозиционных, независимых изображений зондируемого участка земной поверхности. Учитывая, что полоса панхроматического диапазона Δλ_П более, чем в 3 раза шире цветных полос: Δλ_К, Δλ_З и Δλ_С, число регистрируемых изображений может соотноситься в обратной пропорции, то есть число панхроматических изображений N_П может быть в 3 раза меньше числа каждого из цветных изображений: N_К, N_З или N_С.

При накоплении серии из М_ЦП коротко-экспозиционных изображений, отобранных из N_ЦП зарегистрированных изображений, отношение сигнал/шум в результирующем изображении увеличивается в раз. Оценим величину этого выигрыша в каждом спектральном диапазоне.

Отбраковывая при обработке, например, 190 (16%) из N_ЦП зарегистрированных изображений, получаем для сдвигов и накопления М_ЦП=1000 изображений, где с учетом отмеченной выше пропорции М_П=100, М_К=300, М_З=300 и М_С=300, а увеличение отношения сигнал/шум каждого из четырех результирующих изображений составит, соответственно: и

Многозональная тематическая обработка одноцветных изображений позволяет отслеживать изменения состояний естественных и искусственных объектов на зондируемом участке земной поверхности. Так, например, в синем спектральном диапазоне Δλ_С осуществляют: картирование прибрежных вод, разделение почвы и растительности, распознавание хвойных и лиственных пород деревьев; в зеленом спектральном диапазоне Δλ_З осуществляют: определение интенсивности вегетации, оценивают здоровье растений; в красном спектральном диапазоне Δλ_К выделяют особенности растительности.

Для устранения необходимости традиционного бинирования мультиспектральных каналов здесь предложено усиливать яркость формируемых изображений в МКП 7 перед их детектированием в 9. Наличие усилителя яркости изображений обеспечивает оптимизацию процесса детектирования по шумам [13]. Действительно, основными шумами, ограничивающими точность процесса детектирования, являются: зависящий от сигнала мультипликативный квантовый шум, обусловленный природой светового излучения и присущий идеальному процессу детектирования, а также независящий от сигнала аддитивный шум реального процесса детектирования, обусловленный фоном Земли, тепловым шумом детектора, а также шумом его электронных цепей считывания и усиления видеосигнала. Оптимизация процесса детектирования по шумам [13] заключается в обеспечении условий, при которых мультипликативный квантовый шум превалирует над другими составляющими аддитивного шума, как фона, так и самого детектора, а достигается это использованием усилителей яркости изображений: электронно-оптических преобразователей (ЭОП) на Земле и микроканальных пластин (МКП) в космосе.

Цифровую обработку всех четырех серий N_ЦП зарегистрированных изображений N_П, N_К, N_З и N_С осуществляют в ЭВМ 16 (Фиг. 1 в) после передачи их на Землю. В соответствии с проведенными исследованиями предлагается следующая последовательность операций алгоритма обработки 18 (Фиг. 1в) каждой зарегистрированной серии из N_Ц (ц=к, з, с,)+N_П=N_ЦП изображений:

1) анализируют зарегистрированную серию из N_ЦП дифракционных, случайно сдвинутых и ослабленных атмосферой изображений I^j_ИЦ в каждом ц-цветном (ц=к, з, с) и п-панхроматическом цп-спектральном диапазоне

где I_ОЦП - истинное распределение интенсивности объекта (зондируемого участка земной поверхности) в цп-спектральном диапазоне, * звездочка обозначает интеграл свертки, I^j_A-T-мгновенный импульсный отклик (функция рассеяния точки) системы атмосфера-телескоп ДЗЗ в j-ый момент регистрации изображений, I^j_Ш-аддитивный случайный шум в j-ом изображении, a j=1,…,N_ЦП;

2) отбирают М_ЦП наиболее четких и контрастных изображений из N_ЦП зарегистрированных (1), отбраковывая размытые и зашумленные

где i=1,…,M_ЦП;

3) суммируют отобранные изображения (2) и формируют при этом эталонное среднее изображение зондируемого участка земной поверхности в цп-спектральном диапазоне

4) определяют в эталонном высококонтрастном, но искаженном усредненными сдвигами, изображении (3) характерные особенности (опорные ориентиры);

5) сравнивают каждое из М_ЦП отобранных селекцией 2) коротко-экспозиционных изображений (2) с эталоном и находят в них характерные особенности эталона (3);

6) сдвигают каждое из М_ЦП коротко-экспозиционных изображений (2), совмещая их характерные особенности с характерными особенностями эталона, и компенсируют при этом случайные атмосферные сдвиги зарегистрированных дифракционных изображений, искаженных случайным аддитивным шумом

где I_T-ФРТ (функция рассеяния точки) телескопа (картина Эри), а Iⁱ_ИЦП-неискаженное случайными атмосферными сдвигами дифракционное i-oe изображение зондируемого участка земной поверхности в цп-спектральном диапазоне;

7) накапливают М_ЦП сдвинутых в 6) дифракционных малоконтрастных изображений (4), увеличивая при этом отношение сигнал/шум результирующего изображения в раз, и получают контрастное дифракционное изображение зондируемого участка земной поверхности в цп-спектральном диапазоне.

где I_ДЦП=I_ОЦП*I_T-Дифракционное изображение зондируемого участка земной поверхности в цп-спектральном диапазоне. В результате получают для каждой серии цп-спектрального диапазона дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум, соответственно, красное I_РК, зеленое I_РЗ синее I_РС и панхроматическое I_РП результирующие изображения;

8) объединяют эти четыре результирующих изображения, совмещая характерные особенности (опорные ориентиры) трех одноцветных изображений с опорными ориентирами панхроматического изображения, и формируют при таком объединении результирующих изображений полноцветное дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум изображение зондируемого участка земной поверхности для картографии, геологоразведки и других задач ДЗЗ сверхвысокого разрешения.

9) анализируют одноцветные результирующие изображения (I_РК, I_РЗ и I_РС) дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум и осуществляют по ним высокодетальную (дифракционного качества) многозональную тематическую обработку, при которой в интересах различных потребителей отслеживают мельчайшие изменения состояний естественных и искусственных объектов на зондируемом участке земной поверхности.

Таким образом, технический результат предлагаемого способа, а именно, получение в условиях атмосферных искажений одноцветных и полноцветного изображений ДЗЗ дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум - достигнут.

Список использованной литературы

1. Fried, D.L. Optical Resolution through a Randomly Inhomogeneous Medium for Very Long and Very Short Exposures / D.L. Fried // J. Opt. Soc. Am. - 1966. - V.56. -№10. -P.1372-1376.

2. Свиридов, К.Н. Проблема изопланатичности оптических систем, формирующих изображения через турбулентную атмосферу / К.Н. Свиридов, П.А. Бакут, Н.Д. Устинов, Н.Ю. Хомич // Оптика и спектроскопия. - 1986. -Т.60.-Вып.З.-С.611-615.

3. Кирилин, А.Н. Космический аппарат «Ресурс-П» / А.Н. Кирилин и др. // Геоматика. - 2010. - №4. - С.23 - 26.

4. Макриденко, Л.А. История создания малых космических аппаратов «Канопус-В» №1 и Белорусского КА. / Л.А. Макриденко, С.Н. Волков и др. -М.: АО «Корпорация «ВНИИЭМ». - 2012. - 72 с.

5. Кирилин, А.Н. Опытно-технологический малый космический аппарат «АИСТ-2Д» / А.Н. Кирилин, Р.Н. Ахметов, Е.В. Шахматов // Самара: Изд-во Сам НЦ РАН. - 2017. - 324 с.

6. Лавров, В.В. Космические съемочные системы сверхвысокого разрешения / B.В. Лавров // Гео информационный портал ГИС Ассоциации. - 2010. - №2. - C. 19-24.

7. Свиридов, К.Н. Патент №2730886 Российской Федерации, МПК G02B 7/02. Способ достижения дифракционного предела разрешения изображений дистанционного зондирования Земли для малых космических аппаратов / К.Н. Свиридов, А.Е. Тюлин, Ю.М. Гектин // Заявитель и правообладатель АО «Российские космические системы»; заявлено 04.10.2019; опубликовано 26.08.2020, Бюллетень №24, 35 с.

8. Свиридов, К.Н. О проектировании оптико-электронной аппаратуры космических аппаратов дистанционного зондирования Земли / К.Н. Свиридов, А.Е. Тюлин // Информация и Космос.- 2018. - №4. - С.136-145.

9. Свиридов, К.Н. О предельном инструментальном разрешении космического аппарата «Ресурс-П» (№1,2,3)» / К.Н. Свиридов // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. - 2017. - Т.4. - Вып.2. - С.20-28.

10. Свиридов, К.Н. О критериях оценки предельного инструментального разрешения космического аппарата дистанционного зондирования Земли на местности / К.Н. Свиридов, А.Е. Тюлин // Информация и Космос.- 2018. - №3. -С.143-146.

11. Bayer, В.Е. Color Imaging Array / В.Е. Bayer // US patent 3.971.065. - 1976.

12. Lion, R.F. Eyeing the Camera: into the Next Century / R.F. Lion, P.M. Hubel, Foveon Inc., Santa Clara, CA USA // 10th Color Imaging Conference, Springfield, VA USA.-2002.-P.349-355.

13. Свиридов, К.Н. Технологии достижения высокого углового разрешения оптических систем атмосферного «видения» / К.Н. Свиридов // М.: изд. «Знание». - 2005. - 452 с.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а, в частности, космического приборостроения оптико-электронной аппаратуры (ОЭА) малых космических аппаратов дистанционного зондирования Земли (МКА ДЗЗ), и предназначено для получения в условиях атмосферных искажений одноцветных и полноцветного изображений ДЗЗ дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум. Техническим результатом является получение в условиях атмосферных искажений одноцветных и полноцветного изображений ДЗЗ дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум. Для получения в условиях атмосферных искажений одноцветных и полноцветного изображений ДЗЗ дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум, при формировании изображений ДЗЗ дополнительно осуществляют их спектральную фильтрацию последовательно в трех спектральных диапазонах, а перед детектированием усиливают яркость сформированных изображений и детектируют серию коротко-экспозиционных и независимых по атмосферным искажениям изображений ДЗЗ, компенсируют в них атмосферные искажения, далее объединяют все результирующие изображения, совмещая опорные ориентиры трех одноцветных изображений с опорными ориентирами панхроматического изображения, и получают одно полноцветное изображение дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум. 4 ил.

Способ достижения дифракционного разрешения цветных изображений дистанционного зондирования Земли для малых космических аппаратов, основанный на согласовании объектива и цифрового детектора оптико-электронной аппаратуры (ОЭА) МКА ДЗЗ по критерию Найквиста и формировании изображений ДЗЗ в панхроматическом спектральном диапазоне Δλ_П = 0,43-0,93 мкм с последующей компенсацией атмосферных искажений, как при детектировании и регистрации серии из N_П мгновенных и независимых друг от друга по атмосферным искажениям изображений ДЗЗ путем их коротко-экспозиционной регистрации и стратегии детектирования выборочного кадра, так и при обработке зарегистрированных изображений путем их отбора, сдвигов и суммирования при получении панхроматического черно-белого результирующего изображения I_РП дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум, отличающийся тем, что при формировании изображений ДЗЗ дополнительно осуществляют их спектральную фильтрацию последовательно в трех спектральных диапазонах: красном Δλ_К = 0,63-0,73 мкм, зеленом Δλ_З= 0,53-0,63 мкм и синем Δλ_С = 0,43-0,53 мкм, а перед детектированием усиливают яркость сформированных изображений и детектируют N_Ц, где N_Ц=N_К+N_З+N_С, коротко-экспозиционных и независимых по атмосферным искажениям изображений ДЗЗ, получая при этом три серии дифракционных, но случайно сдвинутых и ослабленных атмосферой одноцветных изображений ДЗЗ, затем при обработке каждой из N_Ц, где ц=к, з, с, зарегистрированных серий осуществляют в них отбор М_Ц изображений наилучшего качества, отбраковывая наиболее размытые и зашумленные, сдвигая и суммируя отобранные изображения, компенсируют атмосферные случайные сдвиги и ослабления изображений, увеличивая отношение сигнал/шум каждого результирующего одноцветного изображения в раз, и получают в результате для каждой серии дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум, соответственно, красное I_РК, зеленое I_РЗ и синее I_РС одноцветные результирующие изображения, далее объединяют все результирующие изображения, совмещая опорные ориентиры трех одноцветных изображений с опорными ориентирами панхроматического черно-белого изображения I_РП, и формируют при таком объединении результирующих изображений одно полноцветное изображение I_ПИ дифракционного разрешения и высокого отношения сигнал/шум.