Космические фотоаппараты

Я ЛЕЦИЯ ТЕМА: КОСМОСЪЕМОЧНАЯ АППАРАТУРА

Аэрокосмические снимки получают с помощью специальной аппаратуры — съемочных систем многократного действия. Суще­ствуют десятки различных съемочных систем, отличающихся по принципу действия, конструкции, назначению; среди них выде­ляют основные — фотографические, оптико-электронные И' ра­диоэлектронные. В свою очередь, каждая из этих систем состоит из целого ряда взаимосвязанных приборов и устройств, но глав­ными из них соответственно являются фотокамеры, сканеры и радиолокаторы, которые также имеют по несколько разновиднос-

Рис. 23. Многозональная космическая фотокамера МКФ-6

С помощью многозональных аэрофотокамер получают снимки в нескольких узких спектральных зонах. Многозональ­ные фотоснимки предназначены прежде всего для дешифрирова­ния; для фотограмметрических измерений они применяются реже.Космические фотоаппараты являются модификациями аэро­фотоаппаратов. У нас в стране большой объем первых обзорных съемок из космоса в масштабах 1: 2 000 000— 1: 3 000 000 выпол­нен космическим фотоаппара­том КАТЭ-140 с размером кад­ра 18 х 18 см. Разрешение на ме­стности космических снимков, полученных этим аппаратом, со­ставляет несколько десятков метров. На рис. 2.23 показана многозональная фотометриче­ская космическая фотокамера МКФ-6, имеющая шесть иден­тичных объективов, при съемке каждого кадра впечатывание в его служебное поле ступен­чатого фотометрического клина, оптическая плотность каждой ступени которого точно известна. Это обеспечивает после выпол­нения фотометрической коррекции определение по фотосним­кам абсолютных значений спектральной яркости объектов земной поверхности с точностью около 15%, а относительных — 5 %.

При съемке с быстродвижущегося носителя изображение мес­тности смещается во время экспонирования. Сдвиг изображения δ_w рассчитывается по формуле:

δ_w =W\H ft

где W - скорость движения носителя; Н - высота съемки; f - фокусное расстояние съемочной камеры; t — экспонирующая вы­держка. Сдвиг изображения приводит к его нерезкости, существенно ухудшая качество снимка. Чем детальнее снимки, тем жестче тре­бования к допустимому сдвигу, который не должен превышать половины величины разрешения (на снимке). Поэтому съемочные фотокамеры, предназначенные для детальных съемок, приходит­ся снабжать специальными механизмами компенсации сдвига изоб­ражения. Так, камера МКФ-6 во время экспозиции автоматичес­ки наклоняется на небольшой угол в направлении, противопо­ложном движению носителя.

В оптико-электронных кадровых камерах изображение регистри­руется не фотографическим, а электронным способом. Устройство электронной камеры аналогично фотографической — изображение строится объективом в центральной проекции на плоскости, но вместо кассеты с фотопленкой используется электронная система, преобразующая оптическое изображение в электрические сигналы.

Основу телевизионных электронных съемочных камер, которые применялись в начальный период космических исследований, составляет передающая электронно-лучевая трубка. В распростра­ненной трубке видиконе светочувствительный экран изготовлен из полупро­водника (фотосопротивления), который превращает оптическое изображение в электрическое, состоящее из положительных за­рядов. Изображение последовательно считывается электронным лучом, быстро обегающим заряженный экран. Сформированный видеосигнал передается на наземные станции по радиоканалу.

В цифровой электронной камере, которую все чаще называют цифровой фотокамерой, изображение местности строится на плос­кой поверхности многоэлементной матрицы приборов с зарядо­вой связью (ПЗС-матрицы). Геометрические размеры ПЗС-матриц, а следовательно, кадра цифрового снимка, пока невелики — составляют несколько сантиметров. Достоинства кадровых съемочных камер заключаются в прак­тически мгновенном получении всего снимка в центральной про­екции на плоскости, что обеспечивает его высокую геометриче­скую точность. Стремясь увеличить охват территории, приходится использовать либо широкоформатные камеры, либо широкоуголь­ные объективы. Однако с увеличением угла поля зрения линзово­го объектива ухудшается равномерность освещения по кадру, а также снижается разрешающая способность, что отрицательно сказыва­ется на качестве снимка.

Панорамные фотоаппараты позволяют снимать поперек на­правления полета широкую полосу местности — иногда от гори­зонта до горизонта — при высоком фотографическом качестве снимков. Для этого в панорамном аппарате фотопленка располо­жена не на плоской, а на цилиндрической поверхности и изобра­жение последовательно формируется узкой полосой (щелью) при повороте объектива камеры (рис.24). Однако цилиндрический панорамный снимок по своим геометрическим свойствам суще­ственно уступает плоскому кадровому, поэтому он обычно ис­пользуется не для измерений, а для визуального дешифрирова­ния. Например, с помощью космического панорамного фотоаппа­рата получают панорамное зображение с разрешением на местности 2 м, предназначенное для детального дешифрирования.

Сканеры. В процессе сканиро­вания формируются снимки, со­стоящие из множества отдель­ных, получаемых последователь­но элементов изображения. Ска­нирование как принцип получе­ния изображения применяется не только при съемке местности, но в камеральных условиях, напри­мер при цифровании фотографи­ческих

Рис. 24. Схема получения фотоснимка при панорамной съемке: 1 — объектив; 2 — экспонирующая щель; 3 — фотопленка

Рис.25 Принцип сканирующего устройства

Оптико-механический сканер. Сканирующее устройство — бы­стро качающееся зеркало, про­сматривая местность поперек дви­жения носителя, посылает лучи­стый поток в объектив (обычно зеркальный) и далее на точечный фотоприемник, который преоб­разует его в электрический сигнал (рис. 25, 26). При сканерной съемке изображение местности получают в виде непрерывной полосы, состоящей из строк (сканов), которые, в свою очередь, состоят из отдельных элементов (пикселов). В пределах элемента изображения происходит осреднение яркости объектов и детали не различаются. Рассматривая сканерный снимок под увеличени­ем, можно обнаружить регулярную пиксельную структуру его изоб­ражения, которая отсутствует на фотографических снимках.

Важные характеристики сканера — угол сканирования (обзора) и мгновенный (соответствующий одному элементу) угол зрения, которые определяют соответственно ширину полосы съемки и пространственное разрешение на местности. У детальных сканеров угол сканирования уменьшают до ±5°, а у обзорных увеличи­вают до ±50°. Мгновенный угол зрения устанавливают от секунд до нескольких минут. Чем лучше разрешение сканера и значитель­нее охват съемкой, тем больший объем информации необходимо передать в единицу времени по радиоканалам, которые должны быть высокоскоростными. При разрешении 100 м и охвате 200 км необходимая скорость передачи информации составляет около 1 Мбит/с (10⁶ бит). Она быстро растет с увеличением разрешения и, например, при повышении разрешения вдвое составляет уже 5 Мбит/с. Спутниковые радиоканалы, которые должны обеспе­чить передачу этого информационного потока, нередко опреде­ляют качество получаемых снимков. Пропускная способность ра­диоканала зависит, в частности, от диаметра приемной антенны наземного комплекса. Так, например, если при использовании определенных технологий удается достичь скорости потока ин­формации до 10 Мбит/с с помощью приемной антенны с диа­метром около 2 м, то при 100 Мбит/с ее диаметр необходимо увеличить до 10м.

Нередко для передачи больших объемов видеоинформации ее приходится предварительно сжимать в 2 — 3 раза.

Разновидности сканеров. С помощью сканирующих систем не только получают снимки, но и измеряют интенсивность излуче­ния, зарегистрированного в пределах каждого пиксела. Поэтому их также называют сканирующими радиометрами (фотометрами, видеоспектрометрами). В зависимости от движения сканирующего луча — по плоскости или образующей конуса — сканеры делят на линейные и конические. У конического сканера угол визирования и, следовательно, разрешение вдоль строки остаются неизменны­ми, но сама строка сканирования на местности представляет со­бой дугу окружности. Снимки, полученные коническим скане­ром, имеют более высокую радиометрическую точность.

В оптико-электронном сканере для регистрации излучения ис­пользуются приборы с зарядовой связью в виде ПЗС-линейки, которая устанавливается поперек направления движения спутни­ка; изображение местности по строке ПЗС-снимка формируется путем одномоментного проектирования, а вдоль полета — после­довательным присоединением строк при прямолинейном движе­нии носителя. У оптико-электронного сканера в отличие от опти­ко-механического отсутствуют подвижные элементы, которые связаны колеблющимся зеркалом. Он более прост в устройстве и надежен в работе.

Конструкция многозональных сканеров, предназначенных для одновременного получения снимков в нескольких спектральных зонах, дополняется светофильтрами или диспергирующей систе­мой (призмы, дифракционные решетки и т.д.), расщепляющей регистрируемый лучистый поток на спектральные составляющие,

которые подаются на различные приемники излучения. Число приемников, их тип (спектральная чувствительность) устанавли­ваются в соответствии с количеством и шириной спектральных зон, в которых работает многозональный сканер.

В гиперспектральном оптико-электронном сканере, например, видимое, среднее инфракрасное и тепловое излучения регистри­руются детекторами трех прямоугольных ПЗС-матриц; широкие стороны матриц реализуют строки снимка, а узкие, расположен­ные вдоль направления полета, позволяют вести регистрацию из­лучения в десятках узких (шириною в несколько нанометров) так называемых гиперспектральных зон. Таким образом в гиперспект­ральном сканере по одному направлению приемной ПЗС-матри-цы регистрируются спектральные характеристики местности, по другому — пространственные. Общее число зональных снимков, получаемых гиперспектральным сканером, может достигать не­скольких сотен. В совокупности их представляют в виде так назы­ваемого гиперспектрального куба (цв. вкл. I, 3).

При тепловой инфракрасной съемке снимки получают с по­мощью специального сканера (тепловизора) с порогом темпера­турной чувствительности 0,1 —0,5 °С, который обязательно дол­жен иметь систему охлаждения приемника.

Для пассивной съемки в микроволновом диапазоне использу­ются микроволновые радиометры, у которых сканирующая попе­рек движения носителя колеблющаяся антенна размещена в пара­болическом рефлекторе. Космические микроволновые радиомет­ры позволяют получать радиотепловые снимки пока с невысоким (в несколько километров) пространственным разрешением, ко­торое тем лучше, чем длиннее антенна.

Принцип сканирования может применяться и при активной лазерной съемке с самолета, которую можно выполнять днем и ночью. Монохроматический узкий луч лазера подсветки освещает сканируемую местность и после отражения регистрируется при­емником. В результате возможно получить монохроматический снимок в видимом или ближнем инфракрасном диапазоне, на котором выделяются объекты с различным отражением в зоне длины волны лазерного излучения.

Все сканеры поставляют строчные снимки, которые по своим геометрическим свойствам уступают кадровым фотографическим снимкам. Однако по сравнению с фотометрическими многозо­нальными фотокамерами сканирующие спектрорадиометры обес­печивают в 2 — 3 раза более высокую радиометрическую точность. Для получения детальных космических снимков в сканерах уста­навливают длиннофокусные (до 10 м) зеркальные объективы, которые по сравнению синзовыми имеют меньшие габариты, более

Рис..27. Двусторонняя съемка ме­стности

Радиолокатор бокового обзо­ра. Получение радиолокацион­ных снимков основано на двух общих принципах позиционирова­ния — активной локации и боковом обзоре.

При локации, зная скорость распространения зондирующего сигнала (светового, радиоволнового, акустического), определяют расстояние (дальность) до объекта по времени между посылкой и возвращением эхо-сигнала после отражения. Принцип бокового обзора предусматривает наклонное (20 — 60°) направление зон­дирующих сигналов перпендикулярно прямолинейной траектории движения. Вследствие поступательного перемещения носителя радиолокатор выполняет съемку местности в полосе обзора, па­раллельной линии полета (рис.27).

На рисунке 28 приведена упрощенная схема радиолокатора или радиолокационной станции бокового обзора. Установленный на носителе генератор вырабатывает радиолокационные сигналы (им­пульсы), которые излучаются в виде плоского радиолокационно­го луча с относительно узкой диаграммой направленности.

скольку объекты местности находятся на разных расстояниях от носителя (имеют разные наклонные дальности), то отраженные от них радиосигналы поступают в приемник в разное время. При визуализации зарегистрированных эхо-сигналов в виде снимка, например путем развертки, на экране электронно-лучевой труб­ки возникает изображение отдельной строки снимка, которое образуется бегущим световым пятном. Поскольку радиолокацион­ное изображение формируется путем регистрации наклонных даль­ностей до объекта, то съемку непосредственно под носителем, где дальности различаются очень мало, не производят, а устанав­ливают ближнюю границу полосы съемки на расстоянии около трети высоты полета.

Пространственное разрешение радиолокационных снимков вдоль линии полета зависит от ширины диаграммы направленно­сти, т. е. от ширины зондирующего импульса, а вдоль строки — от его длительности. Определяющим является разрешение снимков вдоль линии полета, которое тем лучше, чем длиннее антенна. Поскольку установка крупногабаритных антенн ограничивается размерами носителей, прибегают к приему искусственного удли­нения антенны за счет перемещения носителя. Если полет строго прямолинеен и параллелен относительно Земли, то по результа­там съемки, выполненной с помощью реальной короткой антен­ны, удается сформировать радиолокационный снимок, который якобы получен с помощью длинной антенны (искусственно сфор­мированной) с соответственно узкой диаграммой направленнос­ти. Высокое разрешение (от 30—10 м до первых метров у лучших радиолокаторов) достигается путем сложной послесъемочной ком­пьютерной обработки отражен­ных сигналов, которые прини­маются и в течение определен­ного времени накапливаются по мере движения носителя. Та­кие системы в отличие от ра­диолокаторов бокового обзора с реальной длиной антенны по­лучили название радиолокато­ров с синтезированной длиной антенны или с синтезирован­ной апертурой (рис.29).

Рис.29. Диаграммы направленно­сти и пространственное разреше­ние вдоль линии полета радиоло­каторов с реальной (7) и синте­зированной (2) антенной

В настоящее время для регистрации излучения широкое рас­пространение получили приборы с зарядовой связью, так называе­мые ПЗС-приемники. Это многоэлементные фотоэлектрические приемники излучения, которые состоят из миниатюрных фото­диодов, соединенных в одномерные линейки или двумерные мат­рицы. Размер отдельного чувствительного элемента приемника очень мал — меньше 0,01 мм. Лучшие образцы современных при­емников-линеек включают более десяти тысяч, а матрицы — не­сколько миллионов чувствительных элементов. Цикл работы этих детекторов достаточно сложный: он включает выработку ответно­го электросигнала, интенсивность которого пропорциональна яркости подействовавшего на приемник света, запоминание сиг­нала каждого элемента и их последовательное считывание. Управ­ляя считыванием, возможно выбирать отдельные элементы или их группы для получения результирующего сигнала. Применение многоэлементных фотоэлектрических приемников ПЗС для реги­страции излучения открыло широкие перспективы в создании геометрически и радиометрически точных многозональных съе­мочных систем высокого пространственного разрешения, кото­рые можно быстро адаптировать к изменяющимся внешним усло­виям съемки.

Общая чувствительность фотоэлектрических приемников в не­сколько раз выше, чем фотопленок, что позволяет вести съемку при сравнительно коротких выдержках или более низкой осве­щенности. Ценными их свойствами являются также чувствитель­ность к инфракрасному излучению, возможность регистрировать более широкий диапазон интенсивности излучения, а также ли-

неиная зависимость между ответным электрическим сигналом и подействовавшим излучением.

Термоэлектрические приемники. Для регистрации теплового инфракрасного излучения применяются приемники, которые ре­агируют на поглощенное излучение нагреванием чувствительного элемента. Работа термоэлектрического приемника болометра ос­нована на изменении электрического сопротивления нагреваю­щейся зачерненной металлической фольги; в терморезисторах используют полупроводники, которые чувствительны не только к свету, но и к нагреванию (германий с включением ртути). Для надежной работы термоэлектрического приемника необходимо его глубокое (-200 °С) охлаждение. Термоприемники менее чувстви­тельны и медленнее реагируют на воздействующее излучение, чем фотоприемники.

Важным показателем электрических приемников излучения служит внутренний шумовой ток. Чем лучше соотношение сиг­нал/шум, тем более высокое разрешение могут иметь съемочные системы с электрическими приемниками излучения.

Антенны. Простейшей антенной, которая является приемни­ком и излучателем электромагнитных волн радио диапазона, мо­жет служить металлический стержень. Если стержень соединить с генератором электрических колебаний, он станет излучать в ок­ружающее пространство электромагнитные волны, и наоборот, приходящие электромагнитные волны будут индуцировать в нем электрический ток. Направленность действия антенны зависит от ее конструкции. Помещая антенну-стержень в параболический металлический рефлектор, получают остронаправленное излуче­ние существенно большей мощности. Рефлектор у приемной ан­тенны в сотни и тысячи раз повышает и ее чувствительность. Чем больше размер рефлектора, тем уже направленность действия ан­тенны.

Дата добавления: 2014-01-06