На правах рукописи

ФРОЛОВ Александр Георгиевич

МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ И СЖАТИЯ

СЛОЖНЫХ ВИДЕООТКЛИКОВ В МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫХ

ОПТИЧЕСКИХ СКАНЕРАХ

Специальность 05.12.04

Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2008

Работа выполнена на кафедре формирования колебаний и сигналов Московского энергетического института (технического университета).

Защита состоится 29 мая 2008 г. в 15.30 на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан л____ апреля 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.05.

кандидат технических наук, доцент Т.И. КУРОЧКИНА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Прикладные задачи повышения качества изображений [2] составляют важнейшее направление развития авиакосмических средств дистанционного зондирования Земли и планет (ДЗЗ/П). Это связано с непрерывным усложнением задач селекции и оценивания параметров наземных объектов с незначительными яркостными (температурными), а также спектральными (цветовыми) отличиями в условиях пониженной освещенности, воздействия атмосферных факторов, мероприятий инженерно-технического противодействия и т.д.

Обзор литературных данных показал, что общемировые тенденции развития аэрокосмических средств ДЗЗ заключаются в необходимости снижения веса, габаритов, энергопотребления бортовых оптико-электронных систем формирования изображений. При этом существенно ужесточаются требования ко всем типам разрешающей способности аппаратуры: пространственной (угловой), спектральной (частотной), временной (динамической) и яркостной (амплитудной, радиометрической, температурной, контрастной).

Зарубежные фирмы предлагают огромную номенклатуру заказных одноэлементных, многоэлементных линейных и мозаичных фотоприемников в широком спектральном диапазоне. Они отличаются повышенными значениями квантовой эффективности, обнаружительной способности, низким уровнем внутренних шумов. Основные проблемы, возникающие при создании бортовых многоспектральных оптико-механических сканеров с повышенной чувствительностью (повышенным яркостным или температурным разрешением) для перспективных отечественных малогабаритных аэрокосмических систем ДЗЗ, состоят в скудности, дороговизне, пониженных надежности и воспроизводимости параметров отечественной базы фотоприемных устройств. На поставку зарубежных образцов, в особенности охлаждаемых фотоприемных устройств ИК-диапазона, отвечающих стандартам Military Space, требуется разрешение правительств соответствующих государств. Также нельзя недооценивать опасность скрытного использования в высокотехнологичных зарубежных изделиях средств электронного взлома, инициируемых автономно или дистанционно извне.

Технология производства одноэлементных фотоприемников (ФЭУ, обычных и лавинных фотодиодов, фоторезисторов) в России отработана существенно лучше, чем соответствующие технологии производства линеек и мозаик фотодетекторов. Многолетний опыт эксплуатации разработанных в ФГУП РНИИ КП космических многоспектральных оптико-механических сканеров с построчной разверткой серий МСУ-СК, МСУ-МР, МСУ-М, Термоскан, АГРОС, построенных на базе одноэлементных (или малоэлементных) фотоприемников, показал, что их возможности не использованы полностью - необходим лишь поиск новых методов обработки оптических сигналов. С космическими многоспектральными оптико-механическими сканерами, построенными на базе одноэлементных фотодетекторов, связаны все отечественные достижения в дальнем космосе - получение снимков Луны, Венеры, Марса.

Разработка новых концепций построения многоспектральных оптико-механических сканеров с повышенным яркостным (температурным) разрешением на базе одноэлементных фотодетекторов для перспективных отечественных аэрокосмических систем ДЗЗ является актуальной научно-технической задачей, соответствующей как общемировым тенденциям развития аналогичных средств в передовых зарубежных странах, так и уровню развития техники ДЗЗ в России. При подготовке диссертации были использованы труды российских ученых: А.С. Селиванова, М.В. Новикова, Ю.М. Гектина, В.И. Воробьева (ФГУП РНИИ космического приборостроения); В. В. Еремеева, А. Е. Кузнецова (РГРТА); Я. Л. Зимана, Г. А. Аванесова (ИКИ); В. Н. Пилевина, О. В. Копелевича (институт окенографии); В. В. Асмуса (НПО Планета); Ю. В. Трифонова (ВНИИ ЭМ); Н. А. Арманда, Ю. Г. Тищенко (ИРЭ РАН), а также профессоров А.С. Елизаренко, Ю.Г. Якушенкова, Л.З. Криксунова, М.М. Мирошникова. Были использованы рекомендации иностранных специалистов в области ДЗЗ и обработки изображений.

Цель диссертации состоит в разработке новых методов многократного повышения чувствительности многоспектральных оптико-механических сканеров с построчной разверткой для аэрокосмических систем ДЗЗ на базе одноэлементных фотоприемников.

Для достижения этой цели в диссертации поставлены научно-технические задачи:

1. Разработать новую идеологию построения многоспектральных оптико-механических сканеров с построчной разверткой на базе использования одноэлементных фотоприемников с улучшенным яркостным (температурным) разрешением. В качестве прототипов использовать находящиеся в эксплуатации разработки ФГУП РНИИ КП.

2. С целью многократного улучшения яркостного разрешения исследовать возможность применения лдлинного одноэлементного прямоугольного фотоприемника с размерами (bx by), bx >> by, причем с целью увеличения длительности наблюдения наземных объектов длинная сторона bx этого фотоприемника должна быть ориентирована вдоль строки 0x сканирования изображения мгновенным угловым полем.

3. Разработать новый метод улучшения яркостного (температурного) разрешения вдоль строк за счет накопления всей энергии сигнала, поступившего в поле (bx by) от элемента разрешения изображения, в одном синтезированном пикселе с размерами (by by). Этот выигрыш в отношении сигнал-шум должен быть получен за счет последетекторного сжатия огибающей некогерентных видеосигналов с большой базой. По эффективности новая процедура должна быть эквивалентна известному использованию многоэлементной линейки, работающей в режиме ВЗН.

4. Разработать новый метод сжатия асинхронных сложных видеосигналов, отличающихся либо аномально малым уровнем боковых лепестков (существенно меньшим, чем B-1/2, где В= bx / by - база сигнала), либо теоретически их полным отсутствием.

5. Разработать метод построения многоспектральных оптико-механических сканеров с построчной разверткой на базе одноэлементного фотоприемника с целью минимизации неблагоприятного влияния зонной характеристики фоточувствительности фотоприемника.

6. Исследовать возможности минимизации потерь яркостного (температурного) разрешения многоспектральных оптико-механических сканеров с построчной разверткой, содержащего одноэлементный фотоприемник, которые вызваны шумами дискретизации при аналогово-цифровом преобразовании видеоинформации.

7. Провести оценку эффективности предложенных методов повышения яркостного (температурного) разрешения многоспектральных оптико-механических сканеров с построчной разверткой, содержащих в каждом спектральном канале длинный одноэлементный фотоприемник.

9. Провести программно-аппаратурные испытания лабораторного макета многоспектрального оптико-механического сканера с построчной разверткой, построенного по разработанной автором идеологии, в рамках НИОКР Агрос и Костер.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались методы теории и принципы создания бортовой аэрокосмической аппаратуры дистанционного зондирования Земли; методы аналоговой и цифровой, бортовой и камеральной обработки аэрокосмических изображений; теория радиотехнических цепей и сигналов; статистическая теория радиолокационного наблюдения; методы компьютерного моделирования и анализа радиотехнических и электрических схем. Экспериментальные исследования строились на основе программной реализации алгоритмов с последующей оценкой полученных результатов, а также проводилось натурное моделирование на экспериментальных образцах аппаратуры ДЗЗ.

В диссертации получены следующие новые научные результаты:

1. С целью многократного повышения яркостной (температурной) разрешающей способности многоспектральных оптико-механических сканеров с построчной разверткой предложен и теоретически обоснован новый метод построения вышеупомянутых сканеров, отличающихся от известных использованием длинных одноэлементных фотодетекторов, вытянутых вдоль строки в В раз по сравнению с их поперечным размером, В >>1.

2. Разработан новый метод преддетекторного преобразования простой огибающей видеоотклика ОЭС с длинным фотоприемником в видеоотклик с большой базой за счет оптической или оптико-электронной пространственной (растровой) модуляции оптических сигналов изображений, формируемых сканером по п. 1.

3. Разработан новый метод повышения яркостного (температурного) разрешения аэрокосмических изображений в В раз за счет взвешенного суммирования разнесенных во времени автокорреляционных или взаимно-корреляционных функций (АКФ, ВКФ) сложного видеоотклика ОЭС cканера по п. 1.

4. Разработан новый метод повышения яркостного (температурного) разрешения многоспектральных оптико-механических сканеров по п. 1 в В раз за счет дополнительного подавления боковых лепестков АКФ (ВКФ) сложного видеоотклика ОЭС путем двухканального формирования условно положительных и лотрицательных дискретов этого видеоотклика и выделения компенсирующего одиночного дискрета кода или их малоимпульсной последовательности.

5. Предложен новый метод инженерного расчета параметров шумов на выходах формирователей АКФ (ВКФ) сложных усеченных последовательностей, позволяющий доказать их некоррелированность на соседних пикселах синтезированного изображения.

6. Предложен новый алгоритм для вычислений количества статистически разрешаемых градаций яркости изображений с учетом воздействия оптических (классического и квантового), а также внутренних шумов аппаратуры многоспектральных оптико-механических сканеров, позволяющий определить форму амплитудной характеристики усилителя, который следует установить перед АЦП.

Практическая значимость результатов работы

Диссертация была выполнена в соответствии с планами НИОКР предприятия ФГУП РНИИ КП, г. Москва, в рамках федеральной космической программы по темам ЭЛЕКТРО-Л, МЕТЕОР-М, что нашло свое отражение в итоговых отчетах: Разработка облика сканирующей аппаратуры космического базирования для обнаружения высокотемпературных источников и очагов лесных пожаров; Шифр Костер; Системный проект ОКР № 35.663.11.0214. ФГУП Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения, Москва, 2004 г.; 189 л. и Создание многоканальных радиометров среднего и дальнего инфракрасных диапазонов с высоким пространственным разрешением Шифр ОКР Прибор-ИК, Федеральная космическая программа России на 2006-2015 годы раздел 2 Разработка опережающего задела бортовых приборов дистанционного зондирования Земли Шифр ОКР Прибор. Книга 1.; Инвентарный номер Э43153 от 29.01.07 г.; Москва 2006 г., 250 л.

Диссертация имеет большое практическое значение, так как в ней использованы известные методы обработки оптических и радиосигналов для нового применения - повышения яркостного (температурного) разрешения многоспектральных оптико-электронных сканеров с построчной разверткой.

Достоверность результатов работы подтверждается результатами математического моделирования предложенных автором методов повышения яркостного (температурного) разрешения оптико-механических сканеров с построчной разверткой, а также успешной экспериментальной проверкой теоретических выводов и рекомендаций.

Положения, выносимые на защиту

1. Теоретическое обоснование метода сжатия сложного импульсного видеоотклика оптико-электронной системы (ОЭС) оптико-электронного сканера с построчной разверткой.

2. Теоретическое обоснование метода взвешенного суммирования разнесенных во времени автокорреляционных или взаимно-корреляционных функций (АКФ, ВКФ) сложного импульсного видеоотклика ОЭС оптико-электронного сканера.

3. Алгоритмы одноканального формирования сложного импульсного видеоотклика ОЭС для подавления боковых лепестков АКФ (ВКФ) видеоотклика.

4. Алгоритмы двухканального формирования сложного импульсного видеоотклика ОЭС с выделением дискрета или их малоимпульсных последовательностей для подавления боковых лепестков АКФ (ВКФ) видеоотклика.

5. Методы инженерного расчета параметров шумов на выходах формирователей АКФ (ВКФ).

6. Алгоритмы аналоговой нелинейной коррекции амплитудной шкалы предварительных видеоусилителей при цифровой тематической обработке аэрокосмических изображений.

Апробация результатов