РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2016, том 3, выпуск 1, c. 34–38
АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ
УДК 528.835
Исследование возможности использования матричных
фотоприемников в сканирующих системах
Ю.М.Гектин1, А.А.Зайцев2,А.В.Рожнев3, А.М.Соловьев, М.Б.Смелянский
1к. т. н., АО «Российские космические системы»
2,3Московский физико-технический институт (государственный университет)
e-mail: 1petrov_sv@spacecorp.ru, 3sasharozhnyov@gmail.com
Аннотация. В работе описан принцип построения и функционирования аппаратуры, предназначенной для решения задач
дистанционного зондирования открытых акваторий. Исходя из современных требований, предъявляемых к аппаратуре такого
типа, проведен анализ различных вариантов построения прибора. Обоснована возможность использования матричного фотоприемника
в сканирующей системе в целях повышения радиометрических характеристик аппаратуры. Предложена схема
построения сканера с использованием оптико-механической развертки и матричного фотоприемника. Показано, что при использовании
матричного фотоприемника с соответствующими характеристиками за счет избыточного числа фотоэлементов
достигается необходимое отношение сигнал/шум для модели излучения от водной поверхности в заданных спектральных
каналах. Описан интерполяционный алгоритм обработки сигналов от фотоприемника, позволяющий сократить передаваемый
информационный поток с минимальными геометрическими искажениями. Результаты моделирования показали эффективность
применения описанной системы для решения задач мониторинга мирового океана. Устройство, разработанное согласно предложенной
схеме, будет иметь современные метрологические характеристики.
Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, цветность океана, сканирующая система, матричный фотоприемник,
интерполяционный алгоритм
The Analysis of Matrix Photodetectors Application
for Scanning Systems
Yu.M.Gektin1, A.A.Zaytsev2,A.V.Rozhnev3, A.M.Solov’ev, M.B.Smelyanskiy
1candidate of engineering science, Joint Stock Company “Russian Space Systems”
2,3Moscow Institute of Physics and Technology (State University)
e-mail: 1petrov_sv@spacecorp.ru, 3sasharozhnyov@gmail.com
Abstract. The paper deals with the design concept of the equipment and its functioning used for remote sensing of water areas.
Various constructions of the device have been analyzed according to modern requirements for this class of equipment. The article
shows that the usage of matrix photodetectors allows to achieve the required signal-to-noise ratio. A scheme of the apparatus
involving optical-mechanical scanning combined with the matrix photodetector is offered. It is demonstrated that the application
of matrix photodetectors with relevant characteristics for a scanning system enables the required signal-to-noise ratio for the model
of radiation from water surface in defined spectral bands by means of redundant quantity of light-sensitive elements. The interpolation
algorithm of signal processing from the photodetector which allows to reduce data flow with minimized geometrical distortion is
described. The results of modeling showed that the offered conception of the apparatus will be effective for remote sensing
of the World Ocean. A device involving the offered scheme will be sufficient for modern metrological requirements.
Key words: Earth remote sensing, ocean colour, scanning system, matrix photodetector, interpolation algorithm
Стр.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТРИЧНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ 35
Перед АО «РКС» стоит задача по созданию целевой
аппаратуры — сканера цвета открытой морской
поверхности, который должен входить в состав
космического комплекса, предназначенного для решения
задач гидрометеорологического и океанографического
обеспечения [1,2]. Для выполнения такого
рода задач, в томчисле и по мониторингу океана,
уже реализованы и проверены сканеры, такие как
SeaWiFS, MODIS, VIIRS [3]. Спектральный диапазон
работы аппаратуры дистанционного зондирования
Земли (ДЗЗ), отвечающий за цветность океана,
лежит в пределах от 0,4 до 0,9 мкм (см. табл. 1).
Схожими являются параметры орбиты (солнечносинхронная,
высота 700–850 км) и геометрические
параметры самой аппаратуры (угол обзора > 100◦,
разрешение в надире ∼1км).
Та б л ица 1. Сравнительные характеристики сканеров
цветности в диапазоне 0,4–0,9 мкм
SeaWiFS
MODIS
VIIRS
спектральной энергетической яркости излучения,
восходящего от водной поверхности, расположен
на длине волны 410 нм, спектральная плотность
энергетической яркости на данной длине волны составляет
95 Вт/м2· ср ·мкм (согласно модели, использованной
при создании специализированного
сканирующего устройства для исследования Мирового
океана SeaWiFS [4]). Минимальная яркость
восходящего от водной поверхности излучения
равна ∼ 7Вт/м2· ср ·мкм (спектральный диапазон
с центральной длиной волны 860 нм). Выполненные
нами расчеты показали, что ни один из
известных традиционных подходов к построению
аппаратуры ДЗЗ (а именно: использование однои
многоэлементных приемников излучения в сочетании
с оптико-механической разверткой, многоэлементных
(линейных) приемников, в том числе
и в режиме ВЗН, а также матричных приемников,
осуществляющих кадровую съемку подстилающей
поверхности) не позволяет удовлетворить указанному
требованию при приемлемых массово-габаритных
характеристиках. Приведенные выше параметры
«водной» модели определяют задачу как
съемку объектов малой яркости. В то же время
спектральная плотность энергетической яркости
от верхних слоев облачной поверхности на границе
плотной атмосферы может достигать значе402–422
20 405–420 15 402–422 20
433–453 20 438–448 10 436–454 18
480–500 20 483–493 10 478–498 20
500–520 20 526–536 10
–
– 662–672 10
–
–
545–565 20 546–556 10 545–565 20
–
–
660–680 20 673–683 10 662–682 20
745–785 40 743–753 10 744–759 15
845–885 40 862–877 10 845–884 39
Поскольку разрабатываемое устройство должно
решать задачи мониторинга акваторий мирового
океана, то следует рассмотреть так называемую
«водную» модель излучения. Разрабатываемая
аппаратура должна обеспечивать отношение сигнал/шум>
500 при съемке акваторий. Максимум
ния 660 Вт/м2· ср ·мкм (см. рис. 2). Поэтому задача
разработки сканера, работающего во всем
динамическом диапазоне яркостных сцен и обеспечивающего
необходимые угол обзора и разрешение,
а также отвечающего предъявляемым метрологическимтребованиям
в части отношения сигнал/шум(>
500 при съемке акваторий), является
весьма сложной.
Предлагаемый нами подход к решению поставленной
задачи заключается в использовании
высокоскоростного малоформатного матричного
КМОП-фотоприемника в сочетании с оптико-механической
разверткой и накоплениемцифрового
сигнала. Использование матричного фотоприемника
большей размерностью нецелесообразно по двум
причинам: во-первых, в выбранной схеме сканирования
необходимфотоприемник с высокой кадровой
частотой (время на чтение всей матрицы
∼1,92 мс), во-вторых, с увеличением размерности
фотоприемника существенно возрастают геометриРАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 1 2016
Спектральный диапазон, нм
Ширина диапазона, нм
Спектральный диапазон, нм
Ширина диапазона, нм
Спектральный диапазон, нм
Ширина диапазона, нм
Стр.2
36
Ю.М.ГЕКТИН, А.А.ЗАЙЦЕВ, А. В.РОЖНЕВ, А.М.СОЛОВЬЕВ, М.Б.СМЕЛЯНСКИЙ
ческие искажения при проектировании матрицы на
поверхность Земли.
Принципиальная схема многоканального устройства,
реализующего принцип оптико-механического
сканирования с использованиемматричного
приемника излучения, работающего в режиме
цифрового ВЗН (режимвременной задержки и накопления
сигнала), и геометрия сканирования приведены
на рис. 1. Устройство должно производить
съемку водной поверхности с разрешением 500 м
в надире с высоты 820 кмв полосе обзора 2800 км
(угол обзора 110◦).
Как показано на рисунке, принципиальная
схема разрабатываемого устройства включает плоское
сканирующее зеркало, линзовый объектив
и матричный фотоприемник. Сканирующее зеркало
одностороннее и совершает вращение в одномнаправлении
во время сканирования с последующим
реверсом. В фокальной плоскости объектива располагается
матричный фотоприемник размерностью
128×128, работающий на частоте 520 кадров/с.
В табл. 2 приведены результаты расчета отношения
сигнал/шумдля водной поверхности. Видно,
что матрица фотоэлементов размером 128 Ч
Ч 128 способна обеспечить необходимое отношение
сигнал/шумв заданных спектральных каналах
при условии цифрового объединения отсчетов.
Если эту операцию выполнять при наземной обработке,
то информационный поток с борта составит
порядка 820 Мбит/с. Такимобразом, возникает
необходимость в уменьшении информационного
потока, для чего предлагается складывать сигналы,
полученные различными фотоэлементами матрицы,
интерполяционнымметодомв блоке обработки
сигнала (БОС), входящемв состав аппаратуры
[5].
Идея метода сложения сигналов состоит в диРис.
1.Принципиальная схема сканирования подстилающей
поверхности
намическом отображении геометрических соотношений,
имеющих место при сканировании в пространстве
объектов съемки, в пространство оперативной
памяти бортового устройства обработки сигналов.
Отсчеты на выходе алгоритма объединения эквивалентны
отсчетамот виртуальной строки, геометрически
соответствующей первой строке матрицы.
Каждый набор отсчетов от виртуальной строки является
суперпозицией полученных в разные моменты
времени отсчетов от всех строк матрицы.
Проблема объединения отсчетов заключается
Рис. 2. Абсолютная спектральная плотность энергетической
яркости излучения водной поверхности и облачности,
использованная разработчиками SeaWiFS
в том, что вследствие орбитального движения КА
в фокальной плоскости объектива сканирующего
устройства имеет место движение изображения поверхности
Земли как в направлении сканирования,
так и в перпендикулярномк нему. Первое, в принципе,
может быть за счет правильного выбора угловой
скорости оптико-механической развертки согласовано
с частотой опроса матрицы таким образом,
что за период опроса матрицы изображение выделенного
объекта перемещается ровно на один пиксель.
Что касается второго, то сдвиг изображения
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 1 2016
Стр.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТРИЧНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ 37
Та б л ица 2. Абсолютная спектральная плотность энергетической яркости Вλ иотношение сигнал/шуммодели
водной поверхности в диапазоне 0,4–0,9 мкм
λ,мкм Bλ,Вт/м2· ср ·мкм
0,410
0,440
0,490
0,550
0,640
0,670
0,745
0,860
95
78
60
36
21
17
11
7
Отношение сигнал/шум
при однократном
считывании
86
81
75
61
50
46
56
51
монотонно возрастает от 1-го столбца матрицы до
последнего, при этомскорость движения сложным
образомзависит от угла визирования [6].
Принцип объединения отсчетов состоит в том,
что в каждый столбец матрицы памяти размерностью
128 Ч 128 ячеек в темпе частоты кадров последовательно
записываются отсчеты 1-й, 2-й, . . .
128-й строк матрицы фотоприемников, так что
в некоторый момент времени 1-я строка записывается
в 1-й столбец, 2 в 128, 3 в 127, . . . 128 в 2;
в следующемцикле опроса 1 в 2, 2 в 1, 3 в 128, . . .
128 в 3 и т. д.При этомотсчетыизвсех строк,
кроме 1-й, умножаются на 2 весовых коэффициента
(коэффициента интерполяции) и записываются
в последовательные ячейки соответствующего
столбца матрицы памяти (суммируются с содержимым
этих ячеек). «Готовый» отсчет последовательно
считывается из каждого столбца матрицы
памяти после записи в него отсчетов от последней,
128-й строки матрицы фотоприемников. Таким
образом, результирующий отсчет представляет собой
сумму с весами 255 реализаций однократного
накопления аналогового сигнала. В процессе описанного
алгоритма (в реальном времени) должны
вычисляться: текущий сдвиг как функция номера
строки и текущего углового положения визирной
оси, приращение адреса ячейки как целая часть
сдвига и весовые коэффициенты, равные (1−d)
и d,где d —дробная частьсдвига.
Результаты расчета сдвигов координат элементов
для нескольких положений визирной оси относительно
надира представлены на рис. 3.
Рис. 4. Зависимость сдвига от расстояния относительно
надира для строк с номерами 32, 64, 96 и 128
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 1 2016
Отношение сигнал/шумпри
объединении сигналов, полученных
за 128 циклов считывания
945
887
821
673
554
510
618
561
Рис. 3. Величины сдвигов для 4 положений визирной
оси относительно надира
Продемонстрированная на рис. 4 зависимость
с хорошей точностью (ошибка не более 0,6%)
аппроксимируется двумерной функцией: линейной
в зависимости от номера строки матричного фотоприемника
(см. рис. 3) и кубической в зависимости
от текущего положения визирной оси (см. рис. 4).
Стр.4
38
Ю.М.ГЕКТИН, А.А.ЗАЙЦЕВ, А. В.РОЖНЕВ, А.М.СОЛОВЬЕВ, М.Б.СМЕЛЯНСКИЙ
По этой функции в БОС должны вычисляться
адресные сдвиги и коэффициенты интерполяции.
На рис. 5 наглядно продемонстрирована суперпозиция
1-й и 24-й строк матричного фотоприемника.
Описанная схема построения сканирующей аппаратуры
позволяет реализовать современные метрологические
требования, предъявляемые к аппаратуре
ДЗЗ, предназначенной для определения
цветности акваторий мирового океана. Разработанный
интерполяционный алгоритмпозволяет значительно
сократить информационный поток с борта
КА без потерь радиометрического разрешения
и с минимальными геометрическими искажениями.
Список литературы
Рис. 5. Элементарный отсчет от 1-го пикселя 24-й строки
складывается с отсчетами от 1-го и 2-го пикселей
1-й строки с соответствующими весовыми коэффициентами
Результатомработы
алгоритма является
уменьшение потока информации в 128 раз, поскольку
сигнал на выходе БОС представляет
собой свертку по 128 интерполированнымстрокам
матрицы. В результате интерполяции несколько
ухудшается полная оптическая передаточная функция
(ОПФ) системы, поскольку ОПФ виртуальной
строки, полученной в результате операции свертки,
совпадает с ОПФ строки матрицы фотоприемников
лишь приособыхсоотношенияхскорости и направления
движения изображения в фокальной
плоскости и значения кадровой частоты опроса
матрицы. Кроме того, применение линейного
приближения в алгоритме интерполяции также
вносит некоторые искажения. Однако поскольку
параметры ОПФ системы «объектив–фотоэлемент
матрицы»неслишком высоки, означенныеискажения
допустимы.
1. Акимов Н.П., Зайцев А.А., Соловьев А.М.Практическая
реализация современных метрологических
требований, предъявляемых к перспективному сканеру
цветности КА «Метеор-М» №3 для исследования
акваторий. Сборник трудов VI Всероссийской
научно-технической конференции «Актуальные
проблемы ракетно-космического приборостроения
и информационных технологий», 2013.
2. Романов А.А. Основы обработки и анализа данных
космического дистанционного зондирования океана:
Учеб. пособие. М.: МФТИ, 2003. 272 с.
3. Remote Sensing of ocean colour in coastal, and other
optically-complex, waters / Reports of the international
ocean-colour coordinating group, IOCCG //
Dartmouth, Canada, 2000. №3. 140 p.
4. NASA. Official site of the Sea-viewing Wide Field-ofview
Sensor project. http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/
SeaWiFS/
5. Зайцев А.А. Оптимизация характеристик фотоприемной
оптико-электронной системы спутниковой
аппаратуры, предназначенной для решения задач
определения цветности акваторий: выпускная квалификационная
работа бакалавра прикладных математики
и физики. М., 2012. 45 с.
6. Шовенгерт Р.А. Дистанционное зондирование.
Модели и методы обработки изображений. М.: Техносфера,
2010. 560 с.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 1 2016
Стр.5