Диссертация (1025532), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Гиперкуб – это трехмерный массив данных, у которогодве пространственных координаты и одна спектральная. Способы полученияГКД различаются по координате развертывания спектральной информации:─динамический (последовательный) способ получения ГКД - спектрразвертывается во времени λ = f (t);─статический(параллельный)способполученияразвертывается по одной из координат пространства λ = f (y).ГКД-спектр15Выбор этой координаты в значительной мере влияет и на параметры ГКДи на схемное решение камеры. Понятно, что при съемке с движущегосяносителя удобно воспользоваться параллельным способом получения спектра,используя одну из координат для обеспечения захвата гиперспектральнойаппаратуры, а другую для развертывания спектра (Рисунок 1.1).
Получениеинформацииповторойпространственнойкоординатеобеспечиваетсянакоплением во времени при движении носителя. За рубежом аппаратуратакого типа носит общее название «pushbroom» [31, 32].Рисунок 1.1. Гиперспектральная аппаратура типа «pushbroom»Гиперспектральная аппаратура типа «pushbroom» состоит из двухсамостоятельных изображающих систем – входного объектива и спектрометра,16при этом входная щель спектрометра расположена в фокальной плоскостиобъектива.Щельориентированапоперекнаправлениядвиженияиограничивает полосу захвата аппаратуры.
Входной объектив проецируетдвижущееся изображение подстилающей поверхности на входную щельспектрометра. Вырезаемое входной щелью изображение в спектрометрераскладывается в спектр и формируется на приемнике, который представляетсобой двумерную матрицу. При этом в направлении строки приемникаизображается пространственная информация, а в направлении столбца –разложенное в спектр ограниченное щелью изображение местности.Исходные данные для расчета ОС ГСА составляются на основе требованийк тактико-техническим характеристикам:─базовая высота полета;─пространственное разрешение на местности;─полоса захвата;─рабочий диапазон длин волн;─спектральное разрешение;─качество изображения;─светоэнергетические характеристики.Две части ГСА по сути являются двумя разными оптическими системамисо своими характеристиками и задачами, состыкованными в один прибор.Входной объектив решает задачу построения изображения подстилающейповерхности.
Спектрометр решает задачу разложения этого изображения вспектр. Их выбор и расчет производится отдельно.Входной объектив обеспечивает требования по пространственномуразрешению и полосе захвата. На Рисунке 1.2 показаны основные габаритныесоотношения входного объектива.17Рисунок 1.2. Схема основных габаритных соотношений входного объективаИз рисунка можно определить габаритные характеристики:f ' H, l 2 f 'tg , L H l,f'где H – высота полёта, Δ – размер проекции пикселя шириной δ наместности, 2ω – угловое поле, L – полоса захвата, l – размер изображения(соответствует ширине входной щели спектрометра), f’ – фокусное расстояниевходного объектива.Заметим, что уменьшение фокусного расстояния объектива для увеличенияполосы захвата приводит к ухудшению пространственного разрешения.
Такимобразом увеличить полосу захвата при сохранении пространственногоразрешения можно только увеличением длины входной щели спектрометра.18Сложность расчета ОС спектрометра ГСА состоит в достижении высокогокачества разложенного в спектр изображения в широком спектральномдиапазоне [33, 34]. Изображение от щели формируется на приемнике в видеспектральных линий. Так как приемником служит прямоугольная двумернаяматрица, то очевидно, что идеальное изображение спектральных линий наприемнике должно иметь следующие характеристики: спектральные линии недолжны быть искривлены по длине, спектральные линии должны бытьодинаковой длины во всем спектральном диапазоне.
На Рисунке 1.3 приведеныидеальный и реальный варианты изображения спектральных линий наприемнике:а)б)Рисунок 1.3. Изображение, формируемое на приемнике: а) идеальное;б) реальноеДля разложения изображения в спектр, в спектрометре присутствуетдиспергирующееустройство(УД).ВкачествеУДвспектрометрахиспользуются призмы и дифракционные решетки или их комбинации.Искажения изображений спектральных линий происходят в основном из-задисторсии, которую дают диспергирующие устройства. Кривизна спектральных19линий существенно снижает точность радиометрических данных, вноситнедостоверность в идентификацию спектральных характеристик, а такжеискажение геометрических форм изображения объектов. Изменение длиныспектральных линий ведет к разности масштабов изображений одного и того жеобъекта для разных длин волн, что недопустимо при комплексированииснимков с разных каналов.Какправило,сувеличениемдлинывходнойщелидисторсиядиспергирующих устройств сильно возрастает.
Поэтому последовательностьрасчета ОС ГСА выглядит следующим образом:выбор и расчет ОС спектрометра с максимальным размеромвходной щели, при удовлетворении требований к качеству изображения,спектральнымисветоэнергетическимхарактеристикам,атакжетехнологическим, экономическим и т.д.;выбор и расчет ОС входного объектива для данного размеравходной щели и высоты полета, при удовлетворении требований кпространственному разрешению, качеству изображения, светоэнергетическимхарактеристикам и другим.Первыегиперспектральныеаппаратыограничивалисьвидимымспектральным диапазоном. В настоящее время идет тенденция расширенияспектрального диапазона в ближний ИК спектр, так как прозрачностьатмосферы позволяет получать изображения земной поверхности и былиразработаны матричные приемники на основе материала HgCdTe, имеющиевысокую чувствительность в этой области [35-38]. Спектральный диапазонвыбирается исходя из диапазона излучения объектов и прозрачностиатмосферы. На Рисунке 1.4 представлен примерный график относительнойспектральной плотности энергетической освещенности в видимом и ближнемИК диапазоне с учетом пропускания атмосферы [1]:20Рисунок 1.4.
График относительной спектральной плотности энергетическойосвещенности с учетом пропускания атмосферыГрафик приблизительный, рассчитанный для модели летней атмосферы всредних широтах, характеристики атмосферы при реальной съемке могут бытьсовсем иными. В основном, поглощение света в атмосфере происходит парамиводы и углекислым газом.
Как видим, на графике имеются несколько провалов,окна поглощения молекулами воды и углекислого газа вблизи длин волн 1,4 и1,9 мкм практически непрозрачны для излучения. Дальше 2,5 мкм такженачинается окно поглощения в совокупности с падением яркости солнечногоизлучения. В целом, весь спектральный диапазон примерно от 0,4 до 2,5 мкмпредставляет интерес для гиперспектральной съемки земной поверхности сорбиты.Существуют приборы, работающие в окнах поглощения атмосферы, атакже работающие в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра.
Мы не будемих рассматривать, так как первые предназначены для исследования атмосферыи к ним не предъявляется высоких требований по пространственнымхарактеристикам, а вторые относятся к другому классу аппаратуры.21Гиперспектральнаяаппаратура,устанавливаемаянакосмическихаппаратах, выделяется среди всех остальных из-за своих отличительныхособенностей: съемка происходит с большой высоты через всю толщу атмосферы; работа аппаратуры происходит с движущегося носителя, чтоисключает возможность повторной регистрации сюжета без измененияусловий съёмки; нет возможности ремонта или модификации; срок активного существования несколько лет; постоянное воздействие космических излучений; высокая цена разработки и эксплуатации; ограничения по массе, габаритам и энергии.Информация дистанционного зондирования Земли используется сегодняразными министерствами и ведомствами (такими как Росгидромет, Роскосмос,Минприроды, Минсельхоз, МЧС и др.) для решения многих хозяйственныхзадач, поэтому необходимо, чтобы специалисты по принятию решений(потребители информации, а также заказчики и производители космическихкомплексов) могли полагаться на качество информации ДЗЗ и продуктов,сформированных на её основе.
Одной из важных проблем требующих решенияпри создании космических ГСА является обеспечение высококачественной нетолько видовой, но и измерительной информации в течение всего срокаэксплуатации. Космическая гиперспектральная аппаратура в силу своихособенностей предъявляет повышенные требования к валидации и калибровкерадиометрических и спектральных характеристик. Наряду с высоким качествомизображения необходима высокая точность и стабильность радиометрическихизмерительных характеристик аппаратуры, а также точная координатнаяпривязка космических снимков. Для этого в составе космического комплексагиперспектральной аппаратуры на этапе проектированияразрабатываются22бортовыесистемыопределенияэлементоввнешнегоориентирования,радиометрической и спектральной калибровки.Процедура бортовой радиометрической калибровки предназначена дляконтроля изменений чувствительности информационного тракта ГСА впроцессе эксплуатации, а также контроля привязки шкалы длин волн. Контрольнеобходим для учета влияния эксплуатационных факторов (невесомость,изменение температуры и давления, механические перегрузки на этапевыведения, вибрации носителя в орбитальном полете) на взаимное положениеоптической системы ГСА и приемников изображения, а также изменениячувствительности к входному сигналу (спектральной энергетической яркости),вызванного изменениями спектрального пропускания/отражения элементовоптической системы и чувствительности приемников изображения в процессеэксплуатации.Система определения элементов внешнего ориентирования необходимадля географической координатной привязки и геометрической коррекцииприсутствующихперспективныхимасштабныхискажений,сдвиговизображения, смазов, размытий и т.д.
Эти искажения типичны для реальнойсъемки, т. к. даже небольшое изменение ориентации платформы ГСА приводитк существенным пространственным искажениям на снимке из-за большого«плеча» при съемке с большой высоты.Таким образом, при проектировании гиперспектральной аппаратурыразработка основного изделия всегда сопровождается разработкой служебныхсистем бортовой радиометрической калибровки и определения элементоввнешнего ориентирования.1.2.Обзор современной и перспективной гиперспектральнойаппаратурыЗа последнее несколько лет в мире было введено в эксплуатацию, а такжеанонсированонесколькокосмическихпрограммсгиперспектральнойаппаратурой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
