WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 51-й научно-технической конференции МИРЭА в 2002 г., на конференции «Инновации в радиотехнических информационно-телекоммутационных технологиях» в 2006 г., на 5-й международной научно-технической конференции, в Рязани в 2007 г. Сделано четыре доклада на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов МЭИ в период с 2003 по 2006 г. и два доклада на научно-технических конференциях ФГУП РНИИ КП в 2003 и 2006 г.г. При проведении НИР и ОКР на предприятии ФГУП РНИИ КП по темам «ЭЛЕКТРО-Л», «МЕТЕОР-М», с использованием научно-технических рекомендаций автора выпущены два итоговых отчета.

Использование результатов работы

Разработанные автором диссертации методы повышения яркостного (температурного) разрешения многоспектральных оптико-механических сканеров с построчной разверткой были использованы при разработке проекта для нового поколения космических систем ДЗЗ.

Проведены натурные испытания экспериментальных макетов тепловизионной съемочной аппаратуры по тематикам «СПОЛОХ» и «КОСТЕР». Применение предложенного автором нелинейной коррекции амплитудной шкалы предусилителя при цифровой тематической обработке изображений [1] позволяет оптимально использовать динамический диапазон АЦП для детальной передачи градаций яркости, необходимых при тематическом анализе получаемых изображений. Данное техническое решение было использовано при модернизации самолетной многоспектральной съемочной аппаратуры «АГРОС» и во вновь разрабатываемом многоспектральном сканирующем радиометре «МСУ-МР».

Результаты работы использованы в практической деятельности предприятия ФГУП РНИИ КП, что подтверждено соответствующими актами.

Личный вклад автора

Автором лично разработан новый растровый метод повышения яркостной (температурной) разрешающей способности многоспектральных оптико-электронных сканеров с построчным сканированием, отличающийся от известных использованием «длинных» одноэлементных фотодетекторов, вытянутых вдоль строки в В раз по сравнению с их поперечным размером, В >> 1. Этот метод можно интерпретировать и как новый путь компенсации геометрических пространственных искажений изображений за счет увеличенных размеров фотодетекторов; получены новые алгоритмы для расчета амплитудных характеристик нелинейных видеоусилителей, которые следует устанавливать перед аналогово-цифровыми преобразователями при цифровой обработке изображений с целью минимизации влияния шумов электронного квантования, а также классических и фотонных шумов оптических сигналов; разработано программно-математическое обеспечение для исследования подавления боковых лепестков АКФ и ВКФ видеоотклика; проведены натурные испытания макета сканирующей тепловизионной аппаратуры; разработаны рекомендации по созданию опытного образца оптико-электронного сканера с использованием предложенного метода повышения яркостного (температурного) разрешения.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 10 научных статей и текстов докладов, два итоговых отчета, зарегистрированных в ФГУП РНИИ КП, и статья в «Вестнике МЭИ», входящем в перечень ВАК. Подготовлена и зарегистрирована заявка на изобретение «Многоканальный сканирующий радиометр с широкой полосой обзора».

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 88 наименований, и приложения. Содержание работы изложено на 136 страницах машинописного текста. Основное содержание работы включает 65 рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность научно-технической задачи разработки оптико-электронных сканеров с повышенным яркостным (температурным) разрешением на базе одноэлементных фотодетекторов для перспективных отечественных аэрокосмических систем ДЗЗ. Сформулирована цель исследования.

В первой главе проведен обзор публикаций и анализ состояния проблемы по вопросам повышения яркостного (температурного) разрешения авиакосмических систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

Рассмотрены взаимозависимости параметров аэрокосмических систем ДЗЗ, в том числе, соотношения между пространственной (угловой), спектральной (частотной), временной (динамической) и яркостной (амплитудной, радиометрической, температурной, контрастной) разрешающими способностями, а также их взаимосвязи с тактико-техническими и технико-экономическими показателями системы формирования изображений (шириной полосы обзора, количеством спектральных каналов и разрешаемых градаций яркости, и рядом других параметров).

Рассмотрены традиционные методы повышения яркостного (температурного) разрешения, включающие в себя использование увеличенных апертур приемной оптики, требующее при заданной величине рабочего углового поля пропорционального увеличения размеров всех чувствительных площадок фотоприемных устройств; конструирование оптики с повышенной прозрачностью; просветление оптических поверхностей и снижение их количества за счет использования асферики; увеличение экспозиции за счет повышенной длительности наблюдения каждого из объектов; совершенствование характеристик чувствительности фотоприемных устройств; использование методов накопления сигналов за счет применение линеек или двумерных мозаик фотодетекторов, работающих в режиме ВЗН (TDI).

Рассмотрены общемировые тенденции развития космического сегмента систем ДЗЗ и видовой разведки, включающие в себя увеличение относительной доли унифицированных малоразмерных ИСЗ (миниспутников, микроспутников) при сохранении высокого разрешения бортовой оптико-электронной системы (ОЭС), в частности оптико-электронных сканеров; сохранение и дальнейшее улучшение пространственного, спектрального и яркостного (температурного) разрешений нового поколения малогабаритных систем ДЗЗ, что невозможно без внедрения в ОЭС новых технологий приема сигналов, в частности на базе вакуумных, плазменных и твердотельных квантаконов (счетчиков фотонов); расширение областей применения гиперспектральных и видеоспектрометрических съемок с числом каналов более сотни; формирование высококачественных изображений, полученных в разных диапазонах спектра электромагнитных волн.

Проведен анализ методов улучшения яркостного (температурного) разрешения аэрокосмических изображений, включающие в себя методы оптимизации геометрических и спектральных условий космических наблюдений, позволяющие получить максимум отношения сигнал/шум; методы оптимизации структуры и параметров сквозного канала фотоприемной аппаратуры системы ДЗЗ; голографические методы преддетекторной (оптической) и последетекторной обработки изображений; методы синтезирования изображений за счет комплексирования видеоданных об одном и том же участке поверхности, полученных в разное время в разных спектральных диапазонах разными приборами. Рассмотрены как аналоговые, так и цифровые алгоритмы улучшения изображений посредством накопления энергии сигналов, а также и их комбинации, которые, по большей части, хорошо обоснованы математически. Эти методы подразделяются на следующие виды: когерентные и некогерентные; оптические (додетекторные) и оптико-электронные (последетекторные); пространственные, частотные (спектральные) и амплитудные (яркостные, радиационные, температурные). Рассмотрены ограничения при выборе параметров объективов для cканеров с одноэлементными или мозаичными фотодетекторами. Показаны мировые тенденции развития современных фотодетекторов, где наряду с улучшением пороговой чувствительности и обращением к режиму временной задержки и накопления (ВЗН - TDI, time delay & integration) наблюдается стремление к использованию фотодетектирования в режиме счета фотонов, при котором главным источником шумов выступает квантовый шум оптического сигнала.

Отмечена перспективная технология фотокатодов с отрицательным сродством к электрону, которая позволяет создавать охлаждаемые вакуумные приборы с повышенной фоточувствительностью и более равномерной зонной характеристикой на длинах волн до 1,7 мкм. Рассмотрены тенденции развития оптических модуляторов для обработки оптических изображений. Рассмотрены особенности сжатия сложных радиосигналов в моноимпульсном режиме приема с кодированием М - и некогерентными последовательностями. Показано, что у этих последовательностей уровень и количество боковых лепестков АКФ и их шумовые характеристики не удовлетворительны. Пониженным уровнем боковых лепестков отличаются усеченные кодовые последовательности Р.Х. Баркера, которые состоят из символов ±1. У таких кодов со значениями базы В = 3; 4; 5; 7; 11 и 13, уровень всех боковых лепестков сжатых последовательностей одинаков и равен 1/В. Для примера рассмотрены АКФ кода Баркера с базой В = 5, В = 7, В = 13; код Лежандра с базой В = 19; код 26; код Якоби с базой В = 35. По виду АКФ можно заключить, что все упомянутые коды отличаются недопустимо большим уровнем боковых лепестков и поэтому малопригодны для решения задачи повышения яркостного (температурного) разрешения сканеров со строчным сканированием изображений. Рассмотрен метод подавления боковых лепестков АКФ, разработанный Н. И. Амиантовым. Рассмотрены многофазные коды и дополнительные последовательности М. Д. И. Голея, обладающие особыми корреляционными свойствами: в сумме АКФ дополнительных последовательностей Голея боковые лепестки теоретически полностью скомпенсированы. Дополнительные последовательности Голея идеально подходят для нового их применения решения проблемы многократного повышения яркостного разрешения оптико-электронных сканеров с «длинными» одноэлементными фотодетекторов типа счетчиков фотонов в спектральных каналах. При этом нерешенной задачей остается поиск метода технической реализации многофазной оптической модуляции огибающих сигналов на входах «длинных» одноэлементных фотодетекторов. Показано, что применение нелинейности в аналоговом тракте обработки до АЦП позволит стабилизировать уровень квантового шума, так как он связан аналитически со средним уровнем оптического сигнала.

Рассмотрены принципы построения российских оптико-электронных сканеров на примере космического многоканального радиометра «МСУ-МР» (шесть спектральных каналов), самолетного сканера «АГРОС» (20 спектральных каналов), непосредственное участие в создании которых принимал автор на предприятии ФГУП РНИИ КП [10].

Во второй главе рассмотрена статистическая интерпретация контраста яркостей пикселей изображения. Показано, что яркостное (температурное) разрешение оптико-электронных сканеров, отображаемое через поверочную статистику Т12 обнаружения разладки контраста, тем лучше, чем больше произведение К122(S/N), где: К12 – контраст средних освещенностей соседних пикселов ; (S/N) отношение сигнала к его квантовому шуму. Дано теоретическое обоснование повышения яркостного (температурного) разрешения многоспектральных оптических сканеров с применением алгоритмов накопления видеосигнала путем сжатием импульсного видеоотклика приемной системы. С целью повышения яркостной (температурной) разрешающей способности оптических сканеров предложено использовать одноэлементный, удлиненный в направлении строки сканирования фотодетектор; выбрать код сложного сигнала с удовлетворительным уровнем боковых лепестков; в соответствии с этим кодом преобразовать с помощью фокального растра исходный, увеличенный по длительности аппаратный (импульсный) видеоотклик сканирующей ОЭС сканера в сигнал с большой базой; продетектировать сложный импульсный отклик с сохранением его базы; обеспечить накопление энергии видеосигнала в каждом из пикселов изображения за счет сжатия упомянутого импульсного отклика в линейном фильтре, согласованном с формой этого отклика; использовать дополнительные методы подавления боковых лепестков сжатого видеоотклика до заданного уровня.

Приведем сводку формул при различных методах сжатия импульсного отклика ОЭС в оптических сканерах c построчным сканированием:

  • использование АКФ импульсного отклика hB(t), с большой базой

; (1)

  • использование ВКФ импульсного отклика hB(t) с большой базой и весовой функции hР(t), определенной по методу Н. И. Амиантова,

; (2)

  • использование суммы АКФ двух дополнительных кодов Голея одинаковой длины

. (3)

Предложен и исследован на конкретных примерах новый алгоритм дополнительного снижения уровня боковых лепестков АКФ (ВКФ) импульсного видеоотклика h(t) посредством взвешенной суперпозиции этих АКФ (ВКФ), задержанных в соответствии с расположением их боковых лепестков,

V(t) = (4)

где k – временной интервал, а также длительность каждого из дискретов кода, k = 1, …. N; N = B – 1, Ак – веса, обеспечивающие минимум отношения амплитуд самого большого бокового лепестка и основного пика АКФ (ВКФ), Ак 1.

В соответствии с алгоритмом (4) на рис. 1 показано дополнительное снижение уровня боковых лепестков посредством взвешенной суперпозиции АКФ для кода Баркера с базой В=5, очевидный выигрыш отношения основного пика к боковым лепесткам составляет более чем в два раза. Дальнейшее снижение уровня боковых лепестков достигается повторением описанной процедуры над улучшенным видеооткликом рис. 1–d, и так далее.

Представлен разработанный автором метод инженерного расчета параметров шумов на выходе сжимающих фильтров сложных сигналов в условиях воздействия аддитивных шумов с нулевым средним. Закон сложения элементов по разному задержанной и взвешенной выборки шума на выходе таких фильтров можно получить методом полной математической индукции.

Рассмотрены методы минимизации негативных последствий использования аналого-цифровых преобразователей (АЦП), которые являются динамическими нелинейными многопороговыми устройствами, ограничивающими возможности обработки из-за необратимых частичных потерь информации. Для уменьшения требуемой разрядности АЦП применяют разбиение динамического диапазона на поддиапазоны, введение нелинейностей перед АЦП.

При некогерентном видеодетекторном приеме многомодового излучения от подстилающей поверхности (или от цели) амплитудная характеристика нелинейного видеоусилителя (НВУ) имеет вид:

(5)

где: М число степеней свободы оптического сигнала, 2n дисперсия аддитивного внутреннего шума, Vp среднее значение амплитуды однофотонного импульса на входе НВУ. В характерном для пассивных оптических систем формирования изображений M и 2n0 имеет место U(V) ~ V. В радиосистемах, как правило, U(V) ~ lnV.

Количество R разрешаемых градаций амплитуды в динамическом диапазоне V1…V2 ( 0 V1 << V2) для НВУ с характеристикой (5) при n = 0 определяется выражением:

(6)

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»