Основные критерии обнаружения и распознавания объектов различного масштаба

Наименование объекта	Обнаружение	Общее распознавание	Точное распознавание	Детальное описание
Ракетные и артиллерийские установки	1	0.6	0.15	0.05
Транспортное средство	1.5	0.6	0.3	0.05
Склад снабжения	1.5…3	0.6	0.3	0.03
Компоненты ядерного оружия	2.4	1.5	0.3	0.03
Радиоэлектронное средство	3	1	0.3	0.15
Штаб, узел связи	3	1.5	0.9	0.15
Ракетный комплекс (ЗРК, ОТР)	3	1.5	0.6	0.3
Надводный корабль	7.6…15	4.5	0.6	0.3
Самолет	4.5	1.5	1	0.15
Войсковая часть	6	2	1.2	0.3
Аэродромное оборудование	6	4.5	3	0.3
Минное поле	3…9	6	1	0.03
Дороги	6…9	6	1.8	0.6
Мост	6	4.5	1.5	1
Побережье для высадки	30	4…6	3	1.5
Железнодорожные узлы	15…30	15	6	1.5
Порты и пункты снабжения	30	15	6	3
Населенные пункты	60	30	3	3
Местность	-	90	4.5	1.5

Способы сканирования поверхности телевизионными системами наблюдения из Космоса.

Способ сканирования поверхности Земли телевизионной съемочной аппаратурой определяется следующими факторами:

1. Размещение съемочной телевизионной аппаратуры на борту космического аппарата, равномерно движущегося по круговой орбите.

2. Типом используемого фотоприемника (детектора).

3. Задачами, стоящими перед съемочной аппаратурой, в части обеспечения требуемой полосы и периодичности наблюдения.

Движение по орбите, с одной стороны, облегчает наблюдения, так как, позволяет последовательно производить съемку различных районов, с другой накладывает жесткие ограничения, т.к. спутник не может "свернуть" со своей орбиты в сторону, либо поторопиться, либо задержаться к месту съемки. Поэтому, съемка тех или иных районов возможна только по "графику", связанному с параметрами орбиты, а также условиями освещенности в момент пролета над интересующими участками поверхности. В целом движение по орбите очень хорошо прогнозируется и контролируется. На практике можно спланировать работу съемочной аппаратуры как на короткий период 1 – 3 дня (с высокой точностью), так и на длительный срок, порядка месяца и больше. Есть ряд факторов, которые понемногу изменяют орбиту: это торможение в верхней разряженной атмосфере, вспышки на Солнце и т.д. Поэтому, спутником необходимо управлять. Управление осуществляется как с целью поддержания параметров заданной орбиты, так и целью наведения съемочной аппаратуры на заданные районы. Поддержание орбиты происходит за счет работы реактивных двигателей. При этом, необратимо расходуется горючее, а возможное изменение орбиты очень ограничено. Для перенацеливания аппаратуры могут использоваться электрические приводы (двигатели и маховики), работающие от электрической энергии аккумуляторов и солнечных батарей.

Практически все системы ДЗЗ используют собственное движение космического аппарата по орбите, для автоматической развертки по координате, связанной с направлением полета.

Проще всего осуществляется сканирование в системах, построенных на основе многоэлементных фотоприемных детекторов линейного (строчного) типа. Например, линейки ПЗС (приборы с зарядовой связью) и матриц ПЗС, работающих в режиме временной задержки и накопления (ВЗН). В этом случае, ось визирования аппаратуры направлена на Землю, обычно в надир, линейное поле (линейка фотодетекторов) телевизионной съемочной аппаратуры располагается перпендикулярно направлению полета и последовательно осуществляется экспонирование (накопление) и считывание электрических сигналов со всех элементов строки фотоприемника, после чего начинается новый период накопления и считывания сигнала. При этом, из-за того, что телевизионная съемочная аппаратура движется вместе со спутниками по орбите, каждая новая строка, полученной видеоинформации будет соответствовать другому участку местности. Длина этой строки в проекции на местности называется полосой захвата. Такой режим съемки является основным в большинстве систем ДЗЗ, особенно в системах высокого разрешения и называется "заметанием" или, по-английски "Push broom". Основное условие проведения съемки в режиме "Push broom", заключается в том, чтобы за время экспозиции, перемещение линии визирования местности не превышало проекцию одного фоточувствительного элемента на местность в направлении полета. То есть,

,

где Δ – проекция фотоприемного элемента на поверхность Земли.

V_ПТ – скорость подспутниковой точки на поверхности Земли.

Т_Н – время накопления (экспозиции) сигнала.

На рисунке показана схема наблюдения в режиме "Push broom".

Следует оговориться, что скорость движения подспутниковой точки всегда меньше, чем скорость движения космического аппарата по орбите, и связаны соотношением ,

где V_КА – скорость спутника, Н – высота орбиты, а R₃ – радиус Земли.

Ширина полосы захвата L_Z = Δ·N_L,

где N_L – количество фоточувствительных элементов в строке.

Ширина полосы обзора связана с возможностью разворачивать съемочную аппаратуру по углу крена относительно в направлении в надир. Обычно для систем высокого разрешения разворот осуществляется поворотом всего космического аппарата, а углы поворота составляют не более ± 30º.

Съемку в режиме "Push broom" осуществляют большинство телевизионных съемочных систем среднего и высокого разрешения, установленных на КА ДЗЗ. Ниже перечислены некоторые из этих аппаратов: "Spot, 1, 2, 3, 4" (Франция), "Jers –1" (Япония), Iconos, " Quick Bird" (США), "Ресурс –0", "Обзор", "Аркон – 1" (Россия).

Более подробный список такой аппаратуры приведен в таблице 1. Традиционно в системах ДЗЗ, работающих в режиме "Push broom" используются фоточувствительные приборы с зарядовой связью, работающие в видимом диапазоне спектра. Эти приборы хороши по многим причинам, но главное они многоэлементны (содержат до 14 тысяч элементов в строке) и позволяют организовать длинное фоточувствительное поле, сразу перекрывающее всю полосу обзора. Подробнее вопрос организации фокального узла с фотоприемниками ПЗС будет рассмотрен позже, на примере нескольких приборов из таблицы 1. Для телевизионной съемочной аппаратуры, работающей в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Фотоприемники имеют гораздо меньшую степень интеграции и, как правило, содержат не более 512 элементов в строке. Для многих конкретных диапазонов, особенно в области очень длинного ИК (до 40 мкм), и очень короткого УФ вообще существуют только одноэлементные детекторы. А 20 – 30 лет назад, когда начиналось создание первых систем ДЗЗ, практически для всех спектральных диапазонов существовали только одноэлементные приемники изображения.

Тем не менее, даже одноэлементные фотоприемники позволяют осуществлять съемку в широкой полосе захвата и обзора. Более того, в основном только такие приборы используются в очень широкозахватных системах наблюдения с низким разрешением, когда полоса захвата составляет 2,5 – 3 тысячи километров, (т.е. "от горизонта до горизонта") с высоты около 800 – 1000 км. Для организации такой съемки используется сканирующие устройства – сканеры, осуществляющие построчную развертку по второй координате, перпендикулярной направлению полета КА. Сканирующие системы могут быть разного типа, и их основная черта состоит в том, что обязательно имеется подвижный оптический элемент, который осуществляет перенацеливание луча визирования в пространстве. Этим подвижным элементом может быть зеркало, установленное перед объективом, вращающаяся зеркальная призма, плоскопараллельная пластина и т. п. Н

Двухкоординатная развертка

екоторые типы сканирующих устройств показаны на рисунке.

Съемка строки осуществляется последовательным экспонированием одноэлементного детектора, при различных углах поворота сканирующего элемента. Угловой размер одноэлементного детектора называется мгновенным полем зрения. Общее поле зрения телевизионной съемочной системы образуется с учетом перемещения в пространстве мгновенного поля зрения и может быть очень большим, например 90º - 120º, при относительно не сложном объективе.

Показанные на рисунке сканеры обеспечивают линейную развертку, т.е. движение мгновенного поля зрения по прямой линии перпендикулярно направлению полета. Следует напомнить, что развертка по второй координате на рисунке справа осуществляется автоматически за счет движения КА на орбите.

Сканирующая аппаратура установлена на большинстве современных спутниках ДЗЗ, осуществляющих съемку со средним и низким разрешением в большой полосе захвата. Среди таких систем можно отметить: прибор МСУ-СК КА "Ресурс-О", который обеспечивает съемку поверхности Земли в диапазонах 0,5 – 0,6 мкм; 0,6 – 0,7 мкм; 0,8 – 1,1 мкм (ВД и БИК диапазоны) с разрешением 140 м и в тепловом диапазоне 10,4 – 12,6 мкм с разрешением 550 м. Общая полоса обзора составляет 600 км, с высоты 680 км.

На КА системы NOAA установлен усовершенствованный радиометр AVHRR12 (Advanced Very High Resolution Radiometer), предназначенный для измерения температуры суши и морской поверхности, наблюдения облачного, снежного и ледового покрова, контроля за осадками, влажностью почв и измерения растительного индекса.

Радиометр дважды в сутки обеспечивает съемку практически свей поверхности Земли и имеет следующие характеристики:

• рабочие диапазоны: 0,58 – 0,68 мкм; 0,725 – 1,1 мкм; 3,55 – 3,93 мкм; 10,3 – 11,3 мкм; 11,4 – 12,4 мкм;

• пространственное разрешение в надир: 1,1 км;

• мгновенное поле зрения 1,3 град.;

• ширина полосы обзора 3000 км;

• угол обзора ±55,4º от направления в надир;

• частота вращения сканирующего зеркала 360 об/мин.;

• скорость передачи данных радиометра 665,4 Кбит/с в режиме HRPT и 66,54 Кбит/с в режиме GAC.

Наиболее совершенным сканирующим инструментом является прибор ТМ (тематический картограф), установленный на космических аппаратах серии "Landsat" (№№1 – 7). Прибор обеспечивает разрешение 30 м в ВД и БИК диапазонах и 120 м в тепловом ИК диапазоне. Всего прибор осуществляет съемку в 7 диапазонах в полосе обзора 185 км. На рисунке показаны схема наблюдения и основные элементы прибора ТМ.

В таблице приведены основные, решаемые этим прибором задачи в привязке к спектральным диапазонам.

№	Длина волны мкм	Назначение диапазона
1	0,45-0,52	Оценка хлорофила и каратина в растительных покровах и разделение опадающей и вечнозелёной растительности
2	0,52-0,60	Оценка отражательной способности в зелёном диапазоне
3	0,63-0,69	Оценка поглощательной способности хлорофила для определения вида посадок
4	0,76--,90	Оценка отражательной способности растений в ближнем ИК-диапазоне для определения количества биомассы
5	1,55-1,75	Определение влажности растительности и различие облачного и снежного покрова
6	10,40-12,50	Температурное картирование
7	2,08-2,35	Оценка влажности растений и содержания ионов окиси водорода в почве

Завершая обзор принципов построения телевизионных систем наблюдения, остановимся на технических аспектах съемки в различных спектральных диапазонах. Техническая реализация съемки в узких спектральных диапазонах обеспечивается сочетанием двух факторов:

1) типом и чувствительностью применяемых детекторов;

2) спектральными интерференционными светофильтрами, формирующими узкие поддиапазоны.

Суммарная область чувствительности аппаратуры определяется сочетанием обоих факторов. При этом фотоприемники определяют величину чувствительности и шумовые характеристики, а светофильтры задают конкретный узкий участок спектра электромагнитного излучения соответствующий решаемым задачам. Фотоприемники, как правило, имеют более широкую область спектральной чувствительности, чем тот конкретный диапазон в котором им приходится работать в телевизионной съемочной аппаратуре. Для наблюдения в видимой и ультрафиолетовой областях спектра обычно используются фоточувствительные детекторы на основе кремния: фотодиоды или приборы с зарядовой связью (ПЗС). Сам кремний обладает чувствительностью в пределах области 0,25-1,12 мкм. Не вдаваясь в подробности и сложности создания тепловизионных каналов съемочной аппаратуры, отметим только, что они строятся на основе детекторов из различных материалов, чувствительных в различных спектральных диапазонах: InSb (фотодиоды и фоторезисторы) на спектральную область 3-5 мкм: СОТ (SeSnTe) на спектральную область 3-14 мкм: КРТ (CdHeTe) на 8-13 мкм, приемники на барьерах Шотки из силицида платины (Si:Pt) на 3-5 мкм. Используются и другие материалы и типы фотоприемников, например баллометры, позволяющие осуществлять съемку в очень широком диапазоне спектра. Созданы как одиночные детекторы так и многоэлементные матрицы и линейки детекторов. Однако по сравнению с фотоприемниками на основе кремния степень интеграции детекторов ИК диапазона гораздо ниже. И если на кремнии существуют уже матрицы форматом 7000х9000 элементов и линейки длиной до 14000 элементов в строке, то для ИК детекторов линейка в 512 элементов, это очень хороший приемник.

Почти все типы ИК приемников требуют охлаждения до очень низких температур, порядка 77К, что соответствует уровню температуры жидкого азота. Необходимость охлаждения ИК детекторов существенно усложняет телевизионную съемочную аппаратуру, так как влечет за собой применения сложных систем охлаждения.

Формирующие узкие спектральные поддиапазоны светофильтры обычно устанавливаются непосредственно пере фотоприемными элементами, так, что над каждым детектором расположен свой светофильтр. Однако существуют и более сложные системы на основе дихроичных спектральных покрытий. Дихроичные фильтры имеют свойство пропускать или отражать излучение в зависимости от его длины волны. Это позволяет построить спектроделительную систему которая делит один и тот же поток излучения, прошедший через объектив на несколько разнесенных в простанстве пучков, к тому же разделенных и по спектральному составу. Такие системы обладают тем преимуществом, что позволяют иметь на различных фотоприемниках одновременно одну и туже картину изображения, но в разных диапазонах. Это существенно облегчает формирование цветного изображения в телевиденье и увеличивает точность тематической обработки спектрозональных снимков. Наиболее типичным примером использования такого принципа спектроделения в аппаратуре ДЗЗ, является фотоприемное устройство DTA-03 камеры HRVIR системы "SPOT" (Франция).

Система (страна, год запуска)	Аппаратура	Спектральные каналы, мкм	Разрешение на местности, м	Полоса захвата, км	Способ съемки	Способ разделения спектральных каналов	Характеристики фокальной плоскости ОЭП				Радиометрич. разр., бит		Масса, кг
							Формат строки	Способ сшивки длинной строки	Формат ф/приемника	Размер элемента, мкм
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12		13
JERS – 1 (Япония, 1992 г.) для исследования природных ресурсов	OPS (на КА установлено два радиометра)	0.52-0.60 0.63-0.69 0.76-0.86 0.76-0.86 1.60-1.71 2.01-2.12 2.13-2.35 2.27-2.40	18 (вдоль трассы х 24(поперек	75	Каналы В3 – В4 обеспечивают стереосъемку: В3 – съемка в надир, В4 – вперед под углом 15.3º		1 х 4096	Одна линейка ПЗС на канал (каналы B1 – B4)	4096 х 1		6		188
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11		12	13
ADEOS (Япония, 1996 г.) съемка пов-сти Земли)	AVNIR	0.52-0.69(ПХ) 0.42-0..50 0.52-0.60 0.61-0.69 0.76-0.89	8 16 16 16 16	80	Перенацеливание по углу крена ± 40°		10 000 (?) 5 000 (?) 5 000 5 000 5 000	? ?					250
SPOT–1,2,3 (Франция, 1986 г., 1990 г., 1993 г.)	HRV (на КА установлено две камеры)	0.51-0.73 (ПХ) 0.50-0.59 0.61-0.68 0.79-0.89	10 20 20 20	60 х 60 ( съемка в надир) 60 х 80 (макс.крен) 117 (две камеры)	Две камеры слева и справа от надира; 5 режимов съемки; Перенацеливание по крену ±29°; стерео за 2 вит.	Оптическое разложение спектроделителем	4 х 1500 = 6000 2 х 1500 = 3000 2 х 1500 = 3000 2 х 1500 = 3000	Оптическая сшивка ПЗС-линеек (ФПУ - DTA-01, SODERN)	1768 х 1 (TH7801)	13 х 13		8	250 (DTA-01 – 2.5 кг)
SPOT – 4 (Франция, 1997 г.)	HRVIR	0.50-0.59 0.61-0.68 0.79-0.89	20 20 (10) 20	- " -	- " -	Оптическое разложение спектроделителем	2 х 1500 = 3000 4 х 1500 = 6000 2 х 1500 = 3000	Оптическая сшивка ПЗС-линеек в каналах В1 – В3; (ФПУ - DTA-03, SODERN)	1768 х 1 (TH7811)	13 х 13		8	DTA037.4 кг
		1.58-1.75	20				10 х 300 = 3000	гибридная сборка «встык» из фотодиодов на основе InGaAs + ПЗС-коммутаторов	300 х 1	52 х 52 (билинейка)
SPOT– 5,6 (Франция, 2002 г., 2007 г)	HRG (на КА установлено три камеры)	0.48-0.68 (ПХ) 0.50-0.59 0.605-0.680 0.785-0.885	3 – 5 10 10 10	60 (одна) 117 (две) 174 (три)	Перенацеливание по углу крена ± 19.2°; стереосъемка за 1 виток	Оптическое разложение спектроделителем	1 х 12000 1 х 12000 1 х 12000 1 х 12000	Одна линейка ПЗС на каждый канал ПХ, В1 – В3; (ФПУ DTA-09, SODERN)	12000х 1 (TH7834)	6.5х6.5		?	DTA09
		1.50-1.70	20				10 х 300 = 3000	гибридная сборка «встык» на основе InGaAs + ПЗС (ФПУ DTA-09, SODERN)
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11		12	13
«Ресурс-01» (Россия, 1988 г.)	МСУ-Э (установлено две камеры)	0.5-0.6 0.6-0.7 0.8-0.9	34 х 46 (в надире)	46 (полоса обзора – 800 км)	Перенацеливание по углу крена ± 30°; стереосъемка за 2 витка	Оптическое разложение спектроделителем на дихроичных зеркалах	1 х 2048	Одна линейка ПЗС на канал	2048 х 1 (1200 ЦЛ2, «Пульсар»)	12 х 12		8	27
IRS (Индия, 1988 г.)	LISS-1	0.45-0.52 0.52-0.59 0.62-0.68 0.77-0.86	72.5	148.5	?	Спектральный фильтр на каждый канал	1 х 2048 1 х 2048 1 х 2048 1 х 2048	Одна линейка ПЗС на канал	2048 х 1	?			38.5
	LISS-2A,2B	0.45-0.52 0.52-0.59 0.62-0.68 0.77-0.86	36.25	74.24 (145.5 на две камеры )	Двумя камерами обеспечивается стереосъемка)	Спектральный фильтр на каждый канал	1 х 2048 1 х 2048 1 х 2048 1 х 2048	Одна линейка ПЗС на канал	2048 х 1
	LISS-3	0.52-0.59 0.62-0.68 0.77-0.86	23.5 23.5 23.5	142 142 142		Спектральный фильтр на каждый канал	1 х 6000 1 х 6000 1 х 6000	Одна линейка ПЗС на каждый канал В1 –В3	6000 х 1
		1.55-1.70	70.5	148				Ф/диоды на основе InGaAs	?
	LISS-4	0.52-0.59 0.62-0.68 0.77-0.86	10 10 10	? 40
		1.55-1.70
	PAN	0.5-0.75 (ПХ)	5.8	23.9 х 3 = 70	Перенацеливание по углу крена ± 26°; стереосъемка	-		Три линейки ПЗС, метод сшивки неизвестен
	HR PAN	ПХ	2.5	10
	WiFS (широкоугольная камера)	0.62-0.68 0.77-0.86	188	774			2 х 2048 (?)	Две линейки ПЗС, метод сшивки неизвестен	2048 х 1
		1.55-1.75		804
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11		12	13
	MEOSS (совместно с Германией), 1988 г.	0.57-0.7	70	213	Съемка одновременно в трех направлениях в надир и под углом ± 23° относительно ваправления полета	Три линейки ПЗС размещены в фокальной плоскости телескопа на расстоянии 25 мм друг от друга	1 х 3456	Одна линейка ПЗС на канал	3456 х 1 (ТС-104 фирмы Texas Instr)	10.7 х 10.7		8	10
IKONOS (США, 1999 г.) коммерческая система ДЗЗ	Камерафирмы KODAK с общим телескопом на все каналы	ПХ	1.0	11	"Push broom" ощновременно все диапазоны		3 х 4500	Три матрицы ПЗС ВЗН, собранные в шахматном порядке	4500 х 32	12 х 12
		4 спектральных канала в интервале 0.4- 1.1	4.0	11		4 полосовых интерференционных светофильтра на общей стеклянной подложке	3 х 1125	Три квадролинейки ПЗС, собранные в шахматном порядке	1125 х 1	48 х 48
QuickBird1 (США)	BHRC 60$Bakk Aerjspace; Камера высокого разрешения	ПХ	0,5–1,5 Н=400-900км	15 -34	Push broom" ощновременно все диапазоны		6 х 4500	6 матриц ПЗС ВЗН, собранные в шахматном порядке	4500 х 32	12 х 12		11	296
		4 спектральных канала в интервале 0.45- 0.9	2 - 8	15 -34		4 полосовых интерференционных светофильтра на общей стеклянной подложке	6 х 1125	6 квадролинейки ПЗС, собранные в шахматном порядке	1125 х 1	48 х 48		11
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11		12	13
EROS A (Израиль)		ПХ 0,5-0,9	1,8(1,0)	12,5	Push broom с замедлением в 5-6 раз (750 строк в сек )за счет движения и перенацеливания КА		7800	Линейка ПЗС 7800 пикселов	7800х1	13х13		11
EROS В1 (Израиль)		ПХ 0,5-0,9	0,82	16	Push broom с замедлением в до 3 раз (до 3000 строк в сек) за счет движения и перенацеливания КА		20000	Матрицы ВЗН		12мкм (оценка)		8