Методы оценки показателя информативности оптико-электронного тракта космических систем наблюдения в видимом диапазоне спектра

Развитие космических методов и средств дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) является одним из наиболее важных и перспективных направлений космической деятельности России с её огромной территорией и географическим положением. Богатство природных ресурсов, труднодоступность отдельных районов, сложность в организации и проведении наземных, аэрологических и авиационных наблюдений обуславливают необходимость дальнейшего развития средств и методов ДЗЗ.

С помощью данных ДЗЗ решаются многие важные научные и практические задачи экономического, социального и экологического развития как отдельных регионов, так и страны в целом.

В настоящее время данные ДЗЗ широко используются при решении задач в интересах сельского, лесного и рыбного хозяйствапоиске, инвентаризации и освоении природных ресурсовобеспечении судоходства и транспортировки грузовпрокладке и контроле состояния различных коммуникацийконтроле чрезвычайных ситуаций и оценке экологической обстановкиохране природыпрогнозировании погодыоценке глобальных изменений и эволюции климатасоздании и ведении территориальных информационных систем и др.

К настоящему времени среди средств дистанционного зондирования поверхности Земли доминируют панхроматические и спектрозональные оптико-электронные средства наблюдения. Они включают, как правило, бортовую специальную аппаратуру на базе фотоприемников с пространственно-регулярной дискретной структурой элементов.

Определение рациональных характеристик оптико-электронной аппаратуры (ОЭА) с учетом особенностей синтеза цифровых изображений таким фотоприемником требует разработки адекватных методик, позволяющих достоверно прогнозировать качество цифровых изображений.

В сквозном оптико-электронном тракте (ОЭТ) присутствует явно нелинейное звено — зрительный анализатор (ЗА). Известно, что частотные характеристики зрительного анализатора зависят от пространственного спектра объектов наблюдения и от характеристик оптико-электронной аппаратуры [25, 41], т. е. частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) ЗА мультипликативна. Но в условиях большого многообразия условий синтеза цифровых изображений характер этой мультипликативности выявить бывает очень сложно.

В существующих методиках оценки линейного разрешения на местности (ЛРМ) пороговое значение видимого (эффективного) отношения сигнала к шуму (С/Ш) в изображении штриха группы элемента миры (SNRsn) выбиралось между 3.0 — 3.5. При этом указывалось, что при таком значении С/Ш в изображении шпалы миры наблюдается некое образование, отличное от шумов. Принятый критерий устанавливает правило обнаружения шпалы на фоне аддитивных гауссовых шумов с вероятностью 0.8−0.85.

Согласно теории [35], связывающей разрешение эквивалентной штриховой миры с видением объекта, качество видения можно предсказать, определив максимальную разрешаемую частоту эквивалентной миры, имеющей тот же контраст и наблюдаемой при тех же условиях, что и объект.

Иными словами, при оценке качества видения объекта наблюдения речь идет не об обнаружении элементов теста, а об определении его параметров, которые и будут служить мерой качества изображения объекта.

Более того, во многих научных организациях проводились многочисленные экспериментальные работы, посвященные выявлению зависимостей вероятности идентификации конкретных простых объектов от величины разрешения на местности. В этих экспериментах величина линейного разрешения на местности оценивалась по критерию предельно-разрешаемого элемента стандартной трехшпальной миры. Полученные зависимости позволяют оценить вероятность идентификации простого объекта (до класса, вида, типа), если известно линейное разрешение на местности.

Таким образом, для априорных оценок информативности изображающих систем разумно использовать тот же, что и в экспериментах, критерий дешифрирования предельно-разрешаемого элемента стандартной трехшпальной миры.

Для этого в работе [10] была оценена величина SNRBn, позволяющая с требуемой вероятностью дешифрировать предельно-разрешаемый элемент стандартной трехшпальной миры. При этом было получено новое значение SNRBn> которое составило 8.5 — 9.0. Однако, результат был получен в ограниченных условиях наблюдения. Тест объект представлял собой только вертикальную группу элемента миры, и пределы изменения отношения ширины шпалы к шагу выборки составляли 1.1 — 1.3. Более того, результат получен для наилучшей фазы выборки. Не рассматривались пространственные частоты, максимально приближенные к частоте Найквиста, на которой фаза выборки приводит к наибольшим мультипликативным искажениям 1 -го рода.

Также следует отметить, что в существующих методиках неоднозначно определяется коэффициент, отражающий повышение отношения сигнала к шуму в изображении шпалы за счет суммации ЗА. Так, наибольшая неоднозначность проявляется, когда ширина шпалы миры приближается к периоду дискретизации.

В связи с этим необходимо выявить причины возникновения неоднозначности при априорном определении показателя информативности ОЭТ для чего:

— выявить специфику восприятия цифровых изображений различного спектрального состава зрительным анализатором оператора-дешифровщика;

— найти способ корректного учёта вышеотмеченных не решённых проблемных вопросов путём введения некоторого единого функционала, легко модифицируемого под оценку показателя информативности сквозного ОЭТ по любым тестам и критериям дешифрирования их элементов.

В реальных условиях эксплуатации ОЭА пространственно-частотные характеристики её отдельных звеньев наиболее сильно подвержены влиянию различных дестабилизирующих факторов, снижающих качество изображения. Отсюда вытекает необходимость создания адекватной апостериорной методики оценки показателя информативности оптико-электронного тракта, в которой оценка качества функционирования ОЭА проводится по целевой информации.

Очевидно, что апостериорная оценка показателя информативности ОЭТ должна проводиться по выбранному тест-объекту.

При современном проектировании оптико-электронных систем дистанционного зондирования Земли возникает задача учета ориентационных и стабилизационных характеристик космического аппарата.

Ошибки в определении пространственной ориентации осей космического аппарата (КА) и отсутствие их высокоточной стабилизации влияет на оценку величины и направления вектора скорости бега изображения в плоскости фотоприемного устройства (ФПУ). Значительное несогласование вектора скорости бега изображения с временными режимами считывания информации с ФПУ, особенно для режима временной задержки с накоплением, обусловливает увеличение «смаза» и, как следствие, приводит к снижению качества формируемых ОЭА изображений.

В связи с этим возникает необходимость оценки векторно-скоростного поля бега изображения в картинной плоскости ОЭА. Результаты оценок позволят выбрать оптимальный режим работы ФПУ, а при их использовании в априорной методике оценки качества цифровых изображений — определить степень снижения показателя информативности.

Актуальность работы.

Современные требования, предъявляемые к уровню целевой эффективности систем космической разведки наземных объектов, предопределяют всё возрастающую роль оптико-электронных средств оперативного наблюдения (мониторинга, дистанционного зондирования) в общей совокупности привлекаемых средств. Задачи оперативного космического контроля природных ресурсов, исследования динамики протекания природных и антропогенных процессов, процессов стратегического характера и т. д., выдвигают высокие требования к качеству получаемой целевой информации.

Так, к космическим оптико-электронным системам предъявляются жесткие требования по разрешению, с целью получения высокоинформативных данных о состоянии исследуемых наземных объектов.

Отсюда вытекает необходимость и актуальность создания адекватных методик, позволяющих осуществлять анализ качества цифровых изображений. Использование этих методик позволит повысить достоверность результатов оценок и правильно выбрать технические характеристики оптико-электронных систем.

В диссертационной работе получено новое решение актуальной научно-технической задачи связанной с оценкой показателя информативности ОЭТ космической системы ДЗЗ в видимом диапазоне спектра.

Целью диссертации является:

Повышение уровня достоверности априорных и апостериорных оценок показателя информативности ОЭТ. Достижение основной цели в работе реализовано за счёт:

1. Исследования совокупных частотно-энергетических свойств звеньев выборки, зрительного анализатора, визуализатора и описания этих свойств единым функционалом применительно к любым тестам и критериям дешифрирования их элементов.

2. Разработки математической модели, описывающей векторно-скоростное поле бега изображения в плоскости фотоприёмного устройства с учётом ошибок наведения и стабилизации осей космического аппарата.

3. Разработки методики апостериорной оценки показателя информативности оптико-электронного тракта.

Объектом исследования является оптико-электронный тракт.

В качестве предмета рассмотрения выступает информативность оптико-электронного тракта.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Способ оценки уровня турбулентности среды распространения электромагнитного излучения видимого диапазона, с привлечением обобщенной пограничной кривой.

2. Пороговая частотно-энергетическая характеристика оптико-электронного тракта, включающая звено выборки и методика её оценки.

3. Методика оценки векторно-скоростного поля бега изображения в плоскости фотоприёмного устройства, с учётом ошибок наведения и стабилизации осей космического аппарата.

4. Методика апостериорной оценки показателя информативности оптико-электронного тракта.

5. Результаты измерения собственного шума фотоприёмного устройства, апертурной функции его элемента и ёмкости потенциальной ямы.

6. Результаты анализа двух вариантов информационноёмкой оптико-электронной аппаратуры для малого космического аппарата, решающего задачи дистанционного зондирования Земли.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Предложен способ оценки уровня турбулентности среды распространения электромагнитного излучения, основанный на определении апертурной функции среды по результатам измерения параметра обобщённой пограничной кривой (ОПК).

2. Предложено описание частотно-энергетических свойств звена выборки, визуализатора и зрительного анализатора осуществлять единым функционалом — пороговой частотно-энергетической характеристикой. Такой подход позволяет проводить оценку показателя информативности по любым тестам и критериям дешифрирования их элементов и повышает точность этой оценки (5 — 10%), особенно на частотах, близких к частоте Найквиста.

3. Разработана методика оценки векторно-скоростного поля бега изображения в плоскости фотоприёмного устройства с учётом ошибок наведения и стабилизации осей космического аппарата. Методика позволяет оценить возможное число шагов накопления для режима временной задержки с накоплением (ВЗН) в заданных зонах ФПУ и предъявить обоснованные требования к ориентационным и стабилизационным характеристикам КА.

4. Предложена методика апостериорной оценки показателя информативности оптико-электронного тракта. Методика позволяет оценить качество функционирования ОЭА в реальных условиях её эксплуатации. Оценка осуществляется по целевой информации с привлечением обобщенной пограничной кривой и введенной автором пороговой частотно-энергетической характеристикой.

Достоверность полученных результатов обеспечивается и подтверждается:

— использованием в работе статистических методов, методов преобразования Фурье, теорий вероятности, распознавания и линейной фильтрации и оценкой погрешностей;

— визуализацией этапов оценки показателя информативности оптико-электронного тракта;

— результатами проведённых экспериментальных исследований.

Работа выполнялась в Московском физико-техническом институте государственном университете). Тема диссертации связана с плановыми работами базового предприятия МФТИ НПО «Лептон» .

Практическая значимость.

Предложенная в диссертации ПЧЭХ позволяет повысить адекватность оценки показателя информативности ОЭТ на 5 — 12%, легко модифицируется под оценку показателя качества по любым тестам и критериям дешифрирования их элементов.

Разработанная методика апостериорной оценки показателя информативности позволяет по целевой информации с высоким уровнем адекватности оценить качество функционирования ОЭТ в реальных условиях эксплуатации. Проведённые лабораторные исследования показывают, что расхождение между модельным и экспериментальным значениями показателя информативности составляет не более 3 — 4 процентов.

Проведены исследования по определению возможности функционирования зарубежной строчно-кадровой матрицы в режиме временной задержки с накоплением. Оценены основные энергетические пространственно-частотные характеристики исследуемого фотоприёмника.

Разработанная методика оценки векторно-скоростного поля бега изображения в плоскости фотоприемного устройства с учетом ошибок наведения и стабилизации осей космического аппарата позволяет предъявить требования к ориентационным и стабилизационным характеристикам КА и оценить допустимое число шагов накопления фотоприёмника.

По разработанной методике показателя информативности ОЭТ проведён анализ двух вариантов ОЭА. Показано, что использование ФПЗС KAI2093M («Kodak») обеспечивает более высокое качество изображений (на 10−20%), чем ФПЗС «Круиз» (Россия).

Апробация работы, публикации.

Материалы диссертационной работы представлены на 3-й международной конференции-выставке «Малые спутники, новые технологии, миниатюризация, области эффективного применения в 21 веке» (г. Королёв.

Московской области) и на XLV-й научной конференции Московского физико-технического института (Москва, 2002 г.).

По теме диссертационной работы опубликованы две статьи и написаны три научно-технических отчёта.

Внедрение и использование.

Результаты диссертационной работы внедрены в процессе разработки и проектирования оптико-электронных систем в НПО «Лептон» и ОАО «Пеленг» .

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Содержит 140 страниц текста, 66 рисунков, 8 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 79 наименований.

Основные результаты исследований могут быть сформулированы в следующем виде:

1. Проведенный анализ показывает, что раздельное описание частотных и энергетических свойств таких звеньев оптико-электронного тракта как «выборка» (с присущей ей фазой), зрительный анализатор и визуализатор не всегда корректно и удобно. Автором предложено осуществлять описание частотно-энергетических свойств этих звеньев единым функционалом — пороговой частотно-энергетической характеристикой.

Разработана методика оценки пороговой частотно-энергетической характеристики, получены выражения, описывающие указанный функционал для различных тестов и критериев их дешифрирования.

Пороговая частотно-энергетическая характеристика позволяет корректно учитывать для любых условий наблюдения:

— интермодуляционные искажения, обусловленные анализирующей дискретизацией, со случайной фазой выборки;

— растровые искажения, обусловленные синтезирующей дискретизацией;

— шумы зрительного анализатора и его изменяющуюся от условий наблюдения частотно-контрастную характеристику;

— эффект пространственной суммации аддитивного некоррелированного гауссового шума в изображении структурной единицы тест-объекта.

Пороговую частотно-энергетическую характеристику легко модифицировать под оценку информативности сквозного оптико-электронного тракта по любым тестам и критериям дешифрирования их элементов. Она инвариантна к рабочему спектральному диапазону ОЭА, включающей звено выборки.

2. Предложен способ, оценки уровня турбулентности среды распространения электромагнитного излучения, видимого диапазона с применением обобщённой пограничной кривой, который позволяет на количественном уровне оценить дифференциальную плотность распределения углового раствора апертурной функции турбулентной «замороженной атмосферы» для конкретных условий наблюдения.

3. Автором предложен способ апостериорной оценки показателя информативности ОЭТ и разработана необходимая методика. В соответствии с этим методом энергетический расчет тракта в рамках апостериорной оценки осуществляется по исходным данным и модельным оценкам принятым для априорной методики оценки качества информативности ОЭТ. Частотный же расчёт проводится исключительно по целевой информации.

Разработанная методика позволяет с высоким уровнем адекватности оценить качество функционирования оптико-электронной аппаратуры в реальных условиях эксплуатации. Проведённые лабораторные исследования показывают, что расхождение между модельным и экспериментальным значениями показателя информативности составляет не более 3 — 4 процентов.

4. Результаты, проведённых исследований, зарубежной строчно-кадровой матрицы KAI2093M (фирма «Kodak», США) подтвердили её высокие частотно-энергетические свойства при работе фотоприёмника в режиме временной задержки с накоплением (режим не штатный).

Так, интегральный уровень собственного шума исследованной матрицы и её электронного тракта составил 29 электронов в стандартном режиме и 30 электронов в режиме временной задержки с накоплениемобъём потенциальной ямы элемента матрицы в режиме временной задержки с накоплением составил ~60 000 электронов (в штатном режиме ~40 000). Определены пространственно-частотные свойства матрицы — усреднённое по длинам волн значение частотно-контрастной характеристики на частоте Найквиста (67.57 лин/мм) вдоль строки составило 0.81, а вдоль столбца -0.73.

5. Разработана методика оценки векторно-скоростного поля бега изображения в плоскости фотоприёмного устройства с учетом ошибок наведения и стабилизации осей космического аппарата. Методика позволяет предъявить обоснованные требования к ориентационным и стабилизационным характеристикам КА и оценить допустимое число шагов накопления фотоприёмника, работающего в режиме временной задержки с накоплением.

6. По разработанной методике показателя информативности оптико-электронного тракта проведён анализ двух вариантов оптико-электронной аппаратуры. Показано, что использование в аппаратуре фоточувствительной матрицы KAI2093M («Kodak») обеспечивает более высокое качество изображений (на 10−20%) чем использование фотоприёмника «Круиз» (Россия). Это связано с тем, что матрица KAI2093M имеет механизм антиблюминга, электронный затвор и возможность изменения количества шагов накопления с единичным дискретом. У фотоприёмника «Круиз» указанные функции отсутствуют.

7. Использование ПЧЭХ в «Методике априорной оценки показателя информативности ОЭТ видимого диапазона» повышает достоверность оценки JIPM на 5 — 12%. Сравнительный результат получен по отношению к варианту применения в правой части сквозного частотно-энергетического уравнения порогового эффективного отношения сигнала к шуму SNR. bn=(8.5 — 9.0). Расходимость результатов оценок в наибольшей степени проявляется при низких значениях отношения сигнала к шуму в изображении теста — типа «скачок» .

Заключение

.

В диссертационной работе получено новое решение актуальной научно-технической задачи связанной с оценкой показателя информативности ОЭТ космических систем ДЗЗ. В качестве показателя информативности используется линейное разрешение на местности. Этот показатель наиболее полно отвечает требованиям системного подхода и увязывается с уровнем идентификации простых объектов. Полученное новое решение позволяет повысить достоверность оценки выбранного показателя.