автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Методы оценки показателя информативности оптико-электронного тракта космических систем наблюдения в видимом диапазоне спектра

На правах рукописи

Сикорский Дмитрий Анатольевич

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЯ ИНФОРМАТИВНОСТИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГОТРАКТА КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ НАБЛЮДЕНИЯ В ВИДИМОМ ДИАПАЗОНЕ

СПЕКТРА

Специальность 05.13.01 - «Системный анализ, управление и

обработка информации»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2004

Работа выполнена в Московском физико-техническом институте.

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Бобылёв Валерий Иванович

доктор технических наук, Долгих Николай Александрович кандидат технических наук, Кизенко Анатолий Викторович

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт машиностроения» Российского Авиакосмического Агентства.

Защита состоится « 2004 г. в ^"^час. на

заседании диссертационного совета Д 212.146.04 Московского

государственного университета леса по адресу: 141005, г.Мытищи-5,

Московская обл., ул. 1-я Институтская, д. 1, МГУЛ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУЛ а. Автореферат разослан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

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 существующих методиках оценки линейного разрешения на местности (ЛРМ) пороговое значение видимого (эффективного) отношения сигнала к шуму в изображении штриха группы элемента миры (SNRBП) выбиралось между 3.0 - 3.5. При этом указывалось, что при таком значении SNR 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, 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

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.

Была оценена величина SNRBП, позволяющая с требуемой вероятностью дешифрировать предельно-разрешаемый элемент стандартной трехшпальной миры. При этом было получено новое значение SNRBП, 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 зрительным анализатором (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 оптико-электронного тракта (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 оптико-электронной аппаратуры (ОЭА) пространственно-частотные характеристики её отдельных звеньев наиболее сильно подвержены влиянию различных дестабилизирующих факторов, снижающих качество изображения. Отсюда вытекает необходимость создания достоверной 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 (КА).

Ошибки в определении пространственной ориентации осей 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.

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.

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 обеспечена посредством привлечения известных и подтверждённых экспериментом теоретических моделей, а также научным обоснованием, разработкой и практической реализацией методик проведения компьютерного моделирования и экспериментов.

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:

Практическая значимость. Предложенная в диссертации ПЧЭХ позволяет повысить достоверности 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 ОЭА 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 и 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 XXI веке" (г. Королёв Московской области) и

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

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". Получено два акта о реализации.

Структура и объём работы.

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследований, изложены положения, выносимые на защиту, дано краткое содержание работы. Помимо этого,

анализируются недостатки существующих методик априорной и апостериорной оценки показателя информативности ОЭТ.

В первой главе обосновывается показатель качества (информативности) визуальной информации, получаемой аппаратурой дистанционного зондирования. Этот показатель - линейное разрешение на местности (ЛРМ) наиболее полно отвечает требованиям системного подхода. Самым важным аспектом, обеспечивающим целесообразность использования ЛРМ в качестве показателя информативности систем дистанционного наблюдения, является его практическая увязка с уровнем идентификации простых объектов.

Существуют частные показатели ОЭТ, оценивающие его конкретные свойства. Одним из таких показателей является приращение альбедо, эквивалентное интегральному шуму системы наблюдения ^ЕДр). Величина ЫЕДр отражает исключительно энергетическую чувствительность тракта, не зависит от его частотных свойств и определяется не только характеристиками и параметрами ОЭА, но и характером согласования динамического диапазона ФПУ с динамическим диапазоном сюжета съёмки.

Приводится математическая модель процесса формирования цифровых изображений.

о (х,у)=к1к2Н(х,у)-А(х,у)..8(х,у)"0(х,у)"Р(х,у), (1) (Мх.УНЛХ.У) ^(х.у), (2)

Ор(х,у)=<Хх,у)+Шс(х)У)+ £ (х,у)д(х,у), (3)

О(х,у)=к30р(х,у)-Р(х,у), (4)

У(х,у)=0(х,у)..Г(х)у)+Шг(х,у). (5)

где (..) - оператор двумерной свертки. Здесь: Q*(x,y) - двумерное распределение распределения сигнала в "непрерывном (гипотетическом)" приемнике;

Н(х,у) - двумерное распределение яркости объекта наблюдения; А(х,у) - апертурная функция атмосферы (среды распространения);

S(x,y) - апертурная функция "смаза"; О(х,у) - апертурная функция оптической системы; р^,у) - апертурная функция элемента фотоприемника, под которой в общем случае будем понимать пространственное распределение его чувствительности;

Q(x,y) - результате операция анализирующей дискретизации (выборки), двумерная функция Q*(x,y);

$5(Х>У) - дискретизирующая функция;

(МХ.У) - Реальная выходная сигнальная последовательность отсчетов;

Шс(*»У) - собственный шум фотоприемного устройства (в него входит шум электронного тракта);

¿э (Х>У) - функция мультипликативности;

D(x,y) - двумерное распределение яркости сформированного визуализатором цифрового изображения;

F(x,y) - апертурная функция визуализирующего устройства (визуализатора);

Г(х,у) - апертурная функция "глаза";

- собственный шум зрительного анализатора.

Суть оценки ЛРМ сводится к следующему. Составляется частотно-энергетическое уравнение, решением которого является пространственная частота Упред. Это уравнение имеет вид:

- ■ рал.. -пт. (у)=Фпор(Р,ад), (6) л ив у=о .,1

I кш 11

где - площадь изображения шпалы миры на снимке

(фотодокументе), визуализирующем устройстве;

Би,, площадь корреляции шума, определяемая для современных фотоприемников периодами его "решетки" Дх, Ду;

- аппаратное отношение сигнала к шуму на нулевой пространственной частоте;

ПТ, (V) - сквозная ЧКХ ОЭТ определяется по прямоугольной

1-1

мире и учитывает частотные искажения входного воздействия, вносимые атмосферой, ОС, звеном "смаза", одиночным элементом фотоприемника, звеном анализирующей дискретизации, визуализатором и зрительным анализатором оператора при оптимальных условиях наблюдения цифровых изображений;

Фпор(Рзад) - пороговое отношение сигнала к шуму в изображении шпалы миры, обеспечивающее дешифрирование элемента миры по принятому критерию с вероятностью, не ниже

Линейное разрешение на местности

Л РМ=Он/(2 уПредРСо8б), (7)

где DH - дальность наблюдения;

F - фокусное расстояние ОС;

0 - угол визирования. Анализируются частотно-энергетические свойства звеньев ОЭТ. С целью изучения частотных свойств ЗА при наблюдении цифровых изображений стандартной трёхшпальной миры (тест-объекта) автором, был проведен психофизический эксперимент. В ходе эксперимента определялась такая дистанция наблюдения, при которой обеспечивалась наибольшая вероятность идентификации теста по заданному критерию. Такая дистанция называлась оптимальной (Ц,пт). Рисунок 1 иллюстрирует схему проведения эксперимента.

Эксперимент показал, что в этом случае оптимальное расстояние обеспечивало наблюдение элемента разложения изображения в среднем под углом 2.9', что резко отличается от результата (1,5'), полученного ранее другими авторами, которые определяли это оптимальное расстояние по цифровым изображениям простых военных объектов.

Можно предположить, что выявленное различие объясняется наличием у наблюдателя априорных знаний об объекте наблюдения и явно полтвеождает нелинейные частотные свойства ЗА.

Рис.1. Наблюдатель устанавливает оптимальное расстояние до изображения теста, при котором обеспечивается наибольшая вероятность его идентификации

Выявлено, что при наблюдении изображений одного и того же объекта, но сформированных с разными периодами выборки и одинаковым уровнем шума, ЧКХ ЗА различны.

Результаты исследований показывают, что зрительный анализатор является нелинейным звеном, поскольку его частотные свойства зависят от анализируемого сюжета и от априорной информации о нем.

В энергетической области ЗА также является нелинейным элементом. Так, многочисленные исследования показывают, что ЗА осуществляет пространственную суммацию некоррелированных шумов изображения в ограниченных условиях наблюдения.

Также следует отметить, что в существующих методиках эффект действия выборки оценивается ЧКХ фазы в случае её наихудшего соотношения. С точки зрения теории линейной фильтрации это не совсем корректно, хотя для пространственных частот менее 0.9 частоты Найквиста физический смысл ЧКХ фазы может быть достаточно строго определён. На более высоких частотах форма оптимально восстановленного по выборкам изображения миры резко отличается от синусоидального распределения, и использование ЧКХ в этой области не правомерно.

Более подробно следует остановиться на анализе порогового значения отношения С/Ш в изображении шпалы миры, обеспечивающего дешифрирование её элемента по принятому критерию с заданной вероятностью Рзад. Последние исследования показали, что для достижения вероятности дешифрирования элемента миры по "критерию предельно-разрешаемого элемента", равной 0.8, видимое (эффективное) отношение С/Ш в изображении шпалы миры должно составлять 8.5-9.0.

Однако данный результат нельзя распространять на весь диапазон условий наблюдения, поскольку он получен при определённых ограничениях. Так, тест-объект в эксперименте представлял собой только вертикальную группу элемента миры, и пределы изменения отношения ширины шпалы к шагу выборки составляли 1.1 - 1.3. Не рассматривались пространственные частоты, максимально приближенные к частоте Найквиста. Более того, результат получен для наилучшей фазы выборки.

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 звена выборки, визуализатора и зрительного анализатора единым функционалом. Предложенный функционал должен отражать зависимость требуемого значения аппаратного отношения сигнала к шуму в изображении центрального штриха группы элемента миры (в общем случае - в изображении структурной единицы теста) от пространственной частоты элемента. Причем, требуемое значение отношения сигнала к шуму выбирается исходя из обеспечения заданной вероятности дешифрирования элемента миры (теста) по заданному критерию. Такой функционал будем называть пороговой частотно-энергетической характеристикой (ПЧЭХ) оптико-электронного тракта.

Далее приводится метод оценки ПЧЭХ. На рис. 2 приводятся полученные зависимости, а также соответствующие им изображения тестов, критерии дешифрирования и полиномы, описывающие эти зависимости.

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. Предложенная в диссертации ПЧЭХ позволяет повысить достоверность оценки показателя информативности ОЭТ на 5 - 12%.

Полученные результаты могут быть интерпретированы с позиций частотной зависимости эффективного отношения сигнала к шуму в изображении шпалы миры. На рис. 3 приведен такой функционал.

Рис. 2. Пороговые частотно-энергетические характеристики ОЭТ для различных тестов и критериев дешифрирования их элементов

Расчет показателя информативности с учетом полученной пороговой частотно-энергетической характеристики сводится к модификации частотно-энергетического уравнения и его решения относительно предельно-разрешаемой пространственной частоты выбранного теста.

Частотно-энергетическое уравнение (1) модифицируется и приобретает вид:

(4/л) БМЯоПТ (у)=Рп0р(Рзад)> (8)

где

характеристика.

Рпор(^зад)

пороговая

частотно-энергетическая

а

Эффективное отношение сигнала к шуму в

10

9.5

9 8.5

8 7.5

7 6.5 6-

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5 уД

Рис. 3. Частотная зависимость эффективного отношения сигнала к шуму в изображении шпалы миры

Во второй главе излагается способ оценки уровня турбулентности среды распространения электромагнитного излучения в видимом диапазоне с применением обобщённой пограничной кривой. Он позволил на количественном уровне оценить дифференциальную плотность распределения углового раствора апертурной функции турбулентной "замороженной атмосферы" для конкретных условий наблюдения. Блок-схема, отражающая суть предложенного способа, приведена на рис.4.

Полученные экспериментальные результаты показывают, что для горизонтальных приземных оптических трасс уровень турбулентности значителен (8"-14"). Это в сильной степени ограничивает качество формируемых оптико-электронными системами наблюдения изображений, особенно, если фокусные расстояния оптических систем более 0.3-0.5 метра. Результаты, количественно отражающие уровень турбулентности атмосферы на момент съемки, сведены в гистограмму, представленную на рис.5.

Автором предложен способ апостериорной оценки показателя информативности ОЭТ. В соответствии с этим методом энергетический расчет тракта в рамках апостериорной оценки осуществляется по исходным данным и модельным оценкам условий наблюдения, принятым для априорной методики оценки качества информативности.

Частотные свойства тракта определяются по целевой информации (см. рис. 6).

Турбулентная среда отсутствует

шшр

Цифровая камера

ОС

ФПУ

Видеоинтерфейс

...........V.......

Монитор

Алгоритм обработки отсчетов ОПК

.........

ЭВМ

--------------------------------........А.........

Оператор

Результаты измерений

Рис. 4. Блок-схема эксперимента

Частота появления А

Угловой размер раствора апертурной функции турбулентной "замороженной атмосферы"

11.0 14.0 > гл. сек

Рис. 5. Оценка дифференциальной плотности распределения уровня турбулентности "замороженной атмосферы"

В табл.1 приведены оценки показателя информативности, полученные по разработанной методике и результаты дешифрирования предельно-разрешаемого элемента миры.

Таблица 1

№ фокусировки Величина ЛРМ, оценённая по разработанной методике, мм Величина ЛРМ полученная экспериментально (по результатам дешифрирования предельно-разрешаемого элемента миры), ММ

1 расфокусировка 0.59 0.62

2 расфокусировка 0.82 0.84

3 расфокусировка 1.57 1.62

4 расфокусировка 1.99 2.06

В третьей» главе экспериментально подтверждается возможность функционирования зарубежной строчно-кадровой матрицы KAI2093M (фирма "Kodak") в режиме временной задержки с накоплением.

Оценены- основные энергетические и пространственно-частотные характеристики исследуемого фотоприёмника.

Рис. 6 Блок-схема апостериорной методики оценки показателя

Так, интегральный уровень собственного шума матрицы и её электронного тракта составляет 29 электронов в стандартном режиме и 30 электронов в режиме ВЗН, при Тц=5 мс; объём потенциальной ямы матрицы в режиме ВЗН составил ~60000 электронов; определены её апертурная функция и ЧКХ элемента. Так, усреднённое по длинам волн значение ЧКХ элемента матрицы KAI2093M на частоте Найквиста (67.57 лин/мм) вдоль строки 0.81, а вдоль столбца 0.73.

Ошибки в определении пространственной ориентации осей КА и отсутствие их высокоточной стабилизации влияет на оценку величины и информативности направления вектора скорости бега изображения в плоскости фотоприемного устройства. 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. Автором разработана методика оценки векторно-скоростного поля бега изображения в плоскости фотоприемного устройства с учетом ошибок наведения и стабилизации осей космического аппарата. Эта методика позволяет предъявить требования к ориентационным и стабилизационным характеристикам платформы характеристикам КА и оценить допустимое число шагов накопления фотоприёмника.

Методика базируется на математической модели, имитирующей движение КА по заданной орбите с дискретным временным шагом в нормальном поле Земли с учетом второй зональной гармоники её геопотенциала.

На базе предложенной методики разработана другая (методика 2), позволяющая оценить вероятность допустимого количества шагов накопления сигнала в условиях ошибок наведения и точности стабилизации осей КА. Она построена с привлечением методов статистического моделирования, в частности, метода Монте-Карло.

Результаты расчетов по первой методике могут выводиться на экран монитора в двух вариантах. Первый вариант вывода (методика 1).

На экран монитора выводятся треки бега изображений каждой стартовой точки принятой зоны. В этом варианте не задаются ошибки ориентации и точности стабилизации осей КА, поэтому треки оцениваются без учета этих составляющих. На рис. 7 а) иллюстрируется структура выводимых треков. Моделирование движения изображения

стартовой точки заканчивается, когда ее поперечное смещение становится больше шага «решетки» ФПУ. Второй вариант вывода (методика 1).

На экран монитора выводится сводка скоростей бега

изображения для каждой определенной ранее зоны ФПУ (см. рис. 7 б)).

Каждая зона характеризуется тремя параметрами. В первой строке отображается продольная скорость бега изображения, во второй - поперечная, в третьей - допустимое количество шагов накопления для режима временной задержки с интегрированием при конкретном шаге «решетки» ФПУ. При этом допустимое количество шагов накопления определяется исходя из ограничения поперечного «смаза» в один шаг «решетки». Как в первом, так и во втором варианте вывода ошибки наведения и точности стабилизации не учитываются. "Методика 1" используется для предварительного анализа векторно-скоростного поля бега изображения по всей рабочей поверхности ФПУ. Вывод для второй методики

На экран монитора выводятся оценки влияния ошибок наведения осей КА и точности их стабилизации на допустимое количество шагов накопления (ШН). Анализ осуществляется для одной, выбранной в исходных данных, зоны.

Рис. 8 Пример вывода результатов анализа на экран монитора для второй методики

Количество шагов накопления в условиях ограничения поперечного «смаза» (один шаг «решетки») и наличия случайных возмущающих воздействий на ориентацию КА является также случайной величиной. Наиболее полно характеристики случайной величины описываются интегральной функцией распределения. Именно её оценка и выводится на экран монитора. Значения функции определяют оценку вероятности того, что допустимое количество шагов накопления будет меньше заданного.

В качестве дополнительной информации изображается «веер» треков, полученных в процессе отдельных прогонов модели с различными реализациями ошибок ориентации и точности стабилизации осей КА.

По разработанной методике оценки 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 1020%) чем использование фотоприёмника "Круиз" (Россия). Это связано

электронный затвор и возможность изменения количества шагов накопления с единичным дискретом. У фотоприёмника "Круиз" указанные функции отсутствуют.

Результаты расчёта показателя информативности (ЛРМ) при различных углах Солнца для панхроматического диапазона

приведены на рис. 9.

В заключении диссертационной работы обсуждаются основные полученные результаты с точки зрения их соответствия поставленным целям и положениям, вынесенным на защиту.

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.

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 нештатный).

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 накоплением; объём потенциальной ямы элемента матрицы в режиме временной задержки с накоплением составил ~60000 электронов (в штатном режиме ~40000). 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 ЛРМ на 5 - 12%. Сравнительный результат получен по отношению к варианту применения в правой части сквозного частотно-энергетического уравнения порогового эффективного отношения сигнала к шуму 8КЯВП=(8.5 - 9.0). Расходимость результатов оценок в наибольшей степени проявляется при низких значениях отношения сигнала к шуму в изображении теста типа "скачок".

Список работ по теме диссертаци.

1. Казанцев О. Ю., Бобылёв В. И., Сикорский Д. А. "Результаты макетирования многозональной съёмочной аппаратуры на основе матричны:; фотоприёмников". Тезисы докладов III международной конференции-выставки "Малые спутники, новые технологии, миниатюризация, области эффективного применения в 21 веке". - Королёв, 2002. - стр. 3.

2. Сикорский Д. А. "Метод оценки уровня турбулентности атмосферы".//Электронный журнал "Исследовано в России", 75, стр. 824-838, 2002 г. http://zhural.ape.lerarn.ru/articles/2002/075.pdf

3. Сикорский Д. А. "Методика оценки вектора скорости бега изображения в плоскости фотоприёмного устройства с учётом ошибок наведения и стабилизации осей космического аппарата". Тезисы докладов ХЬУ-й научной конференции Московского физико-технического института - М.: МФТИ, 2002. - стр. 26.

4. Сикорский Д. А. "Метод оценки пороговой частотно-энергетической характеристики оптико-электронного тракта".//Электронный журнал "Исследовано в России", 112, стр. 13551368,2003 г. http://zhural.ape.leram.rU/articles/2003/l 12.pdf

5. Бобылёв В. И., Сикорский Д. А. Разработка методики оценки показателя информативности оптико-электронного тракта видимого диапазона средств ДЗЗ. - НПО "Лептон", ГР № Я679896; Инв. № 67773 (1 этап), 2003 г. - 65с. (авт. 38с).

6. Бобылёв В. И., Сикорский Д. А. Разработка методики оценки показателя информативности оптико-электронного тракта видимого диапазона средств ДЗЗ. - НПО "Лептон", ГР № Я679786; Инв. № 67785 (2 этап), 2003 г. - 83с. (авт. 38с).

7. Сикорский Д. А Отчёт по выполнению

экспериментальной отработки узла ФПУ ТОЭК. - ОАО "Пеленг", ГР № Я679786; Инв. № 67785, 2003 г. - 350с. (авт. 10с).

Формат 60x84 1/16. Уч.-издл. 1,2.. Тираж 80 экз. Заказ 62 .

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ. 124498, Москва, МИЭТ.

Р -2652

Список аббревиатур и сокращений.

Введение.

Глава 1. Показатель информативности оптико-электронного тракта, новое решение сквозного частотно-энергетического уравнения.!

1.1. Выбор показателя информативности оптико-электронного тракта.

1.2. Радиационная чувствительность оптико-электронной аппаратуры.

1.3. Оптико-электронный тракт. Математическая модель формирования цифровых изображений.

1.4. Метод априорной оценки выбранного показателя.

1.5. Пороговая частотно-энергетическая характеристика и методика её оценки, расчёт показателя информативности.

Выводы по главе.

Глава 2. Апостериорная оценка характеристик элементов оптикоэлектронного тракта и его показателя информативности.

2.1. Способ оценки уровня турбулентности среды распространения электромагнитного излучения видимого диапазона с применением обобщённой пограничной кривой.

2.1.1. Метод оценки пространственных свойств функциональной пары "оптическая система+фотоприёмник" по обобщённой пограничной кривой.

2.1.2. Способ оценки турбулентности по обобщённой пограничной кривой.

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

2.3. Результаты экспериментальной проверки разработанной методики.

Выводы по главе

Глава 3. Результаты анализа альтернативных вариантов перспективных оптико-электронных трактов высокого разрешения.

3.1. Исходные данные на анализ ОЭТ высокого разрешения.

3.2. Результаты измерения собственных шумов и ёмкости потенциальной ямы фоточувствительного элемента ПЗС.

3.3. Результаты измерения апертурной функции фоточувствительного элемента ПЗС.

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

3.5. Анализ полученных результатов.

3.6. Выводы по главе.

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 хозяйства; поиске, инвентаризации и освоении природных ресурсов; обеспечении судоходства и транспортировки грузов; прокладке и контроле состояния различных коммуникаций; контроле чрезвычайных ситуаций и оценке экологической обстановки; охране природы; прогнозировании погоды; оценке глобальных изменений и эволюции климата; создании 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, 2002г.).

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 накоплением; объём потенциальной ямы элемента матрицы в режиме временной задержки с накоплением составил ~60000 электронов (в штатном режиме ~40000). 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.

1. Аблеков В.К. и др. Высокоразрешающие оптические системы. — М.: Машиностроение, 1985.- 172с.

2. Аванесов Г.А., Зимин Я.Л., Ходарев Ю.К. Техника тематической автоматизированной обработки видеоинформации. -В кн.: Космические исследования земных ресурсов. М.: Наука, 1975. с. 179 - 188.

3. Аванесов Г.А. Оперативные средства получения космической видеоинформации оптического диапазона/ Космические исследования земных ресурсов. М.: Наука, 1975. с. 24 - 34.

4. Акаев А.А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. М.: Высшая школа, 1988. - 236с.

5. Астапов Ю.М. и др. Теория оптико-электронных следящих систем. М.: Наука, 1988. - 328с.

6. Астапов Ю.М. Земля и гравитация. М.: МГТУ им. Баумана, 1996. -248с.

7. Баклицкий В.К. Методы фильтрации сигналов в корреляционно-экстремальных системах навигации. М.: Радио и связь, 1986 - 215с.

8. Барбе Дж. Приборы с зарядовой связью для формирования сигналов изображения. ТИИЭР, 1975, т. 63, N1, с.45.

9. Батраков А.С., Шведченко Е.П. Анализ движения оптического изображения при произвольном перемещении съёмочной камеры./ Оптико-механическая промышленность, 1984, N8, с. 10.

10. Бобылёв В.И. Анализ и синтез космических систем мониторинга различных спектральных диапазонов. НИИ КС, докторская диссертация, 2000г.-340с.

11. Бобылёв В.И. Методика апостериорной оценки ЧКХ бортовой части ОЭТ по характеристике резкого края. Справка о депонировании статьи №14872, выпуск 5(32), серия А, 1991. 14с.

12. Бобылёв В.И., Рачинский А.Г. Результаты психофизического эксперимента по определению порогового эффективного. Справка о депонировании статьи №14660, выпуск 5(32), серия А, 1991. - 12с. (авт.8с.).

13. Бобылёв В.И. Результаты психофизического эксперимента по уточнению порогового отношения сигнала к шуму в изображении тест-объекта расширенных условий наблюдения. — Международная научно-техническая конференция, тезисы доклада, г. Москва, 1993.

14. Борн М. Вольф Э. Основы оптики. М.:Наука, 1973. 713с.

15. Вентцель Е. С., Овчаров JI. А. Теория вероятностей и её инженерные приложения. М.: Наука, 1988. 475с.

16. Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1986.

17. Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. М.: А и Б, 1997. - 324с.

18. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику.: Пер. с англ. М.: Мир, 1988.-528с.

19. Госсорг Ж. Инфрокрасная термография/ Пер. с франц. канд. техн. наук Н. В. Васильченко под ред. чл.-корр. АН СССР Л. Н. Курбатова. М.: Мир, 1988.

20. Грязин Г.Н. Оптико-электронные системы для обзора пространства. — Л.: Машиностроение, 1988.- 224с.

21. Дубошин Г.Н. Небесная механика. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963. - 586с.

22. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов: Пер. с англ. М.: Энергия, 1973.-523с.

23. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах/ Пер. с англ. канд. физ.-мат. наук Л. А. Апресяна, А. Г. Виноградова, 3. И. Фейзулина. М.: Мир, 1981.

24. Карасик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 350с.

25. Катыс Г.П. Обработка визуальной информации. — М: Машиностроение, 1990. 317с.

26. Кондратьев К. Я. И др. Влияние атмосферы на исследования природных ресурсов из космоса. М.: Машиностроение, 1985. — 271с.

27. Кондратов В.Е., Королёв С.Б. MATLAB как система программирования научно-технических расчётов. М.: Мир, 2002. 334с.

28. Космонавтика: Энциклопедия. — М.: Сов. энциклопедия, 1985. —528с.

29. Креопалова Г. В. и др. Оптические измерения: Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1987. — 264с.

30. Куликов Е.И. Методы измерения случайных процессов. — М.: Радио и связь, 1986. 270с.

31. Курков И. Н., Миленин Н. К. Высокочувствительные преобразователи свет-сигнал и камеры ЦТ. / Техника кино и телевидения, 1984, №5, с. 59.

32. Лансберг Г. С. Оптика. М.: Наука, 1976.

33. Лебедев А.А., Нестеренко О.П. Космические системы наблюдения. — М.: Машиностроение, 1991. — 221с.

34. Ллойд Дж. Системы тепловидения. М.: Мир, 1978. 414с.

35. Мартинес Ф. Синтез изображений. — М.: Радио и связь, 1990. — 191с.

36. Матвеев А. Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1985. 351.

37. Математические методы и моделирование. / Под ред. Колмогорова А. Н., Новикова С.П. М.: Мир, 1989. - 382с.

38. Медведев П.П., Баранов И.С. Глобальные космические навигационные системы. М.: ВИНИТИ, 1992. 264с.

39. Михельсон Н. Н. Оптические телескопы. М.: Наука, 1976.510с.

40. Мирошников М. М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Д.: Машиностроение, 1983.

41. Мишин В.П. Механика космического полета. М.: Машиностроение, 1989.-401с.

42. Моисеев Н. Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981.-487с.

43. Мосягин Г.М. и др. Теория оптико-электронных систем. — М.: Машиностроение, 1990. 431с.

44. Носов Ю.Р., Шилин В.А. Основы физики приборов с зарядовой связью. М.: Наука, 1986. - 318с.

45. Основы теории полёта космических аппаратов./ Под ред. Нариманова Г. С., Тихонравова М. К. М.: Машиностроение, 1972. - 606с.

46. Островская М. А. Частотно контрастная характеристика глаза. — ОМП, 1969, №2, с. 45-54.

47. Очин Е. Ф. Вычислительные системы обработки изображений. -JL: Энергоатомиздат, 1989. 132с.

48. Павлов В.И. Фотограмметрия. Теория одиночного снимка и стереоскопической пары. — М.: Мир, 2000. 362с.

49. Поляк Б. Г. Введение в оптимизацию. М.: Наука, 1983. — 384с.

50. Порфирьев JI. Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико электронных системах. Учебник для приборостроительных специальностей вузов. - Л.: Машиностроение, 1989. - 387с.

51. Пресс Ф. П. Формирователи видеосигнала на приборах с зарядовой связью. -М.: Радио и связь, 1981. 136с.

52. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. Пер с англ. под ред. канд. техн. наук Д. С. Лебедева. М.: Мир, 1982.

53. Реконструкция изображений: Пер. с англ./ Под ред. Старка Г. — М. Мир, 1992.-635с.

54. Савиных В.П., Соломатин В.А. Оптико-электронные системы дистанционного зондирования. М.: Недра,1995. - 314с.

55. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда. М.: Мир, 1987.-327с.

56. Сикорский Д. А. "Метод оценки уровня турбулентности атмосферы".//Электронный журнал "Исследовано в России", 75, стр. 824-838,2002 г. http://zhural.ape.lerarn.ru/articles/2002/075.pdf

57. Сикорский Д. А. "Метод оценки пороговой частотно-энергетической характеристики оптико-электронного тракта".//Электронный журнал "Исследовано в России", 112, стр. 1355-1368, 2003 г. http://zhural.ape.lerarn.ni/articles/2003/l 12.pdf

58. Сикорский Д. А., Бобылёв В. И. Разработка методики оценки показателя информативности оптико-электронного тракта видимого диапазона средств ДЗЗ. НПО "Лептон", ГР № Я679896; Инв. № 67773 (1 этап), 2003 г. - 65с. (авт. 38с.).

59. Сикорский Д. А., Бобылёв В. И. Разработка методики оценки показателя информативности оптико-электронного тракта видимого диапазона средств ДЗЗ. НПО "Лептон", ГР № Я679786; Инв. № 67785 (2 этап), 2003 г. - 83с. (авт. 38с.).

60. Сикорский Д. А. Отчет по выполнению экспериментальной отработки узла ФПУ ТОЭК. ОАО "Пеленг", ГР № Я697656; Инв. № 67797,2003 г.-350с. (авт. Юс.).

61. Справочник по приёмникам оптического излучения/ Волков В. А. и др.; под ред. Криксунова Л. 3. Киев: Техника, 1985. - 216с.

62. Фриден Б. Компьютеры в оптических исследованиях/ Пер. с англ. под ред. С. А. Ахманова. М.: Мир, 1983. С. 190-198.

63. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. -М.: Наука, 1967.-547с.

64. Технология системного моделирования. / Под ред. Емельянова. -М.: Машиностроение, 1988. 519с.

65. Турчак JI. И., Плотников П. В. Основы численных методов. М.: Физматлит, 2002.

66. Холл А. Опыт методологии для системотехники: Пер. с англ. — М.: Сов. радио, 1975. 447с.

67. Хомяков Д.М., Хомяков П.М. Основы системного анализа. — М.: Изд-во Московского университета, 1996.- 108с.

68. Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений./ Под ред. Зубарева Ю. Б. М.: Международный центр научной и технической информации, 1997. — 211с.

69. Шалыгин А. С., Палагин Ю. И. Прикладные методы статистического моделирования. — JI.: Машиностроение, 1986. 319с.

70. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем: Пер. с англ. — М.: Мир, 1978,-418с.

71. Якушенков Ю. Г. Теория и расчёт оптико-электронных приборов. М.: Машиностроение, 1989. — 360с.

72. Ярославский Л. П. Цифровая обработка сигналов в оптике и галографии. М.: Радио и связь, 1987. - 393с.

73. Anderson К., Johsnsson P., Forchheimer R., Knutsson Н. Backward-forward motion compensation prediction. Dept. of Biomedical Engineering,Sweden, 2002.

74. Eastman Kodak Company. Interline Image Sensor Photodiode Charge Capacity and Antiblooming. Rochester, New York 14650-2010, 2000.

75. Georgeson M. A., Hammett S.T. Seeing blur: 'motion sharpening1 without motion. Department of Psychology, Royal Holloway College, University of London, Egham, Surrey TW20 OEX, UK, 2002.

76. Johnson J. Analysis of Image Forming Systems, Proceedings of the Image Intensifier Symposium, U. S. Army Engineering Research Development Laboratories, Fort Belvoir, Virginia, October 1958.

77. Moseley S. H., Wollack E. J., Hinshaw G. F. Limits to the efficiency of imaging systems. NASA Goddard Space Flight Center, 2002.