Оптико-електронний сканувальний пристрій для дистанційного знімання

Оптико-електронний сканувальний пристрій для дистанційного знімання, що містить оптичну систему, декілька лінійок або матрицю фотоприймальних елементів, регістри виводу, рядковий буфер, накопичувач сигналів зображення, схему керування і тактовий генератор, який відрізняється тим, що додатково містить суматори, кількість яких дорівнює кількості лінійок або рядків в матриці фотоприймальних елементів, входи яких підключені до виходів регістрів виводу, декодери адрес за кількістю суматорів, входи яких підключені до виходів суматорів, а також віднімачі, входи яких почергово підключені до виходів декодерів адрес так, що один поточний суматор підключений до позитивного, а наступний - до негативного входу відповідного віднімача, а виходи віднімачів через рядковий буфер з'єднані з входами накопичувача сигналів зображення. Запропонований пристрій відноситься до галузі дистанційного знімання в оптичному діапазоні. Він може застосовуватися, наприклад, для дистанційного одержання цифрових зображень поверхні Землі з борта літака або супутника. Загальними задачами конструювання сучасних оптико-електронних систем для дистанційного знімання є підвищення просторової розрізненності, розширення динамічного діапазону та прискорення процесів формування та виводу зображень із сенсора. Це складні та суперечливі інженерні задачі, розв'язання яких досягається застосуванням різноманітних технічних рішень. Так, відомий спосіб [1] підвищення точності кадастрової і топографічної зйомки заданого масштабу за рахунок зйомки збільшеного масштабу з меншої висоти, яка забезпечує впевнене розпізнавання реперних точок на цифровому знімку. Недоліком цього способу є неможливість зменшення висоти знімання в багатьох випадках. Відомий спосіб [2] підвищення просторової розрізненності багатоспектральної оптикоелектронної системи шляхом білінійної інтерполяції кожного кадру бортовим процесором. Недолі ком цього способу є підвищення не фізичної, а лише формальної просторової розрізненності, що не дозволяє розрізняти реальні дрібні деталі сцени. Відомі спосіб та оптико-електронний пристрій [3], в якому досягається розширення динамічного діапазону оптико-електронного сенсора шляхом адаптивного регулювання часу накопичення заряду для кожного піксела багатоелементного фотоприймача залежно від локальної освітленості. Недоліком описаного пристрою є можливість регулювання (зменшення) часу накопичення лише для сильноекспонованих пікселів, а для слабкоекспонованих воно (збільшення) неможливе внаслідок явища "зсуву" зображення. Відомо низку оптико-електронних знімальних пристроїв, в яких для досягнення технічного результату використовуються сферична оптика [4] для розширення поля зору, конічна дифракційна решітка [5] - для зменшення дисторсії, фільтррегулювач нижніх частот [6] - для забезпечення рівномірності просторової розрізненності за смугою огляду, ультразвуковий п'єзоелектричний блок [7] - для компенсації зсуву зображення. Узагаль (19) UA (11) 95143 (13) (21) a200911904 (22) 20.11.2009 (24) 11.07.2011 (46) 11.07.2011, Бюл.№ 13, 2011 р. (72) СТАНКЕВИЧ СЕРГІЙ АРСЕНІЙОВИЧ, ФЕДОТОВ БОРИС МИКИТОВИЧ, ПОНОМАРЕНКО СЕРГІЙ ОЛЕКСІЙОВИЧ (73) ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ АВІАЦІЇ (56) UA 40212 A, 16.07.2001 UA 79886 C2, 25.07.2007 UA 66660 A, 17.05.2004 SU 1800266, 07.03.1993 RU 2135955 C1, 27.08.1999 US 6831688 B2, 14.12.2004 US 7554067 B2, 30.06.2009 CA 2021052 A1, 13.01.1992 C2 1 3 95143 ненням всіх вказаних технічних рішень можна вважати спосіб і пристрій [8] для реєстрації послідовності зображень за допомогою додаткового рухомого оптичного елемента, що виступає в ролі спектрального фільтру (формує багатоспектральний сенсор), поляризаційного фільтру (поляризаційний сенсор), фільтру інтенсивності (розширює динамічний діапазон) або оптичного дефлектора (підвищує просторову розрізненність). Загальним недоліком зазначених пристроїв є ускладнення конструкції та зниження якості формованого зображення внаслідок введення в оптикоелектронний тракт додаткових ланок. Також відомі кілька способів і оптикоелектронних пристроїв для дистанційного знімання, в яких використовується злиття декількох проміжних зображень, наприклад теплового інфрачервоного та видимого діапазонів [9] - для одержання додаткових ознак об'єктів зйомки, декількох окремих зображень низької розрізненності однієї й тієї ж сцени в одне спільне зображення [10] - для підвищення просторової розрізненності, мінімум двох недоекспоньованих зображень [11] із метою одержання нормально експонованого зображення зі зменшеним зсувом, одного зображення високої розрізненності та декількох низької розрізненності, але одержаних з високою швидкістю [12] - для формування послідовності кадрів високої розрізненності. Недоліком всіх аналогічних технічних рішень є значне погіршення масогабаритних характеристик знімальних систем із-за суттєвого ускладнення конструкції та введення до неї додаткових оптико-електронних сенсорів. Отже, зсув зображення внаслідок руху носія є складною проблемою при дистанційному зніманні. Для лінійкових оптико-електронних сенсорів, в яких сканування місцевості здійснюється як раз за рахунок поступального руху носія, вимога мінімізації зсуву зображення до розмірів фотоприймального елемента а0 призводить до обмеження часу експонування 0 при формуванні одного рядка зображення, який не повинен перевищувати величини 0  H a0  V f (1) де f - еквівалентна фокусна відстань оптичної системи сенсора. В разі малих фізичних розмірів фотоприймальних елементів та великих значень відношень шляхової швидкості носія V до висоти знімання Η час експонування стає недостатнім для повного накопичення заряду в фотоприймальних елементах сенсорної лінійки, що різко понижує відношення "сигнал-шум" в системі й навіть може унеможливити одержання зображення. Ця обставина суперечить чіткій тенденції зменшення розмірів фотоприймальних елементів лінійок і матриць сучасних оптико-електронних сенсорів задля збільшення кількості фотоприймальних елементів в них та досягнення кращої просторової розрізненності. Дана суперечність викликає серйозні технічні проблеми при створенні перспективних лінійкових і матричних оптико-електронних знімальних пристроїв. 4 Для зменшення часу формування зображень використовуються різноманітні технічні рішення. Відомий простий спосіб аерофотознімання або космофотознімання [13] - аналог, в якому зменшення часу між кадрами зніманнями земної поверхні досягається послідовним почерговим застосуванням принаймні двох фотокамер з однаковими технічними характеристиками. Недоліком цього способу є погіршення масогабаритних характеристик знімальної системи принаймні вдвічі. Також відомі оптико-електронна система та спосіб тактичної розвідки [14] - аналог, які дозволяють збільшити відношення "сигнал-шум" за рахунок більш швидкого паралельного зчитування сигналів з декількох субматриць спільної фотоприймальної матриці. Недоліком даного технічного рішення є те, що воно впливає лише на час виводу зображення і не дозволяє збільшити, власне, час накопичення зарядів. Ще відомий лінійковий багатоспектральний оптико-електронний знімальний пристрій [15] аналог, в якому кожний спектральний сигнал формується додаванням зарядів від декількох рядків фотоприймальної матриці для збільшення відношення "сигнал-шум". Недоліком такого пристрою є погіршення просторової чи спектральної розрізненності в таку кількість разів, яка дорівнює числу рядків, що інтегруються (додаються). Найбільш близьким до способу, що пропонується, є оптико-електронний сканувальний пристрій [16] - прототип, обладнаний декількома парами лінійок фотоприймальних елементів, причому лінійки в парі зміщеними одна відносно одної на половину розміру піксела, що дозволяє підвищити відношення "сигнал-шум". В найпростішому випадку сканування проводиться однією парою лінійок в напрямку, перпендикулярному лінійкам. Оптичне випромінювання від об'єктів сцени спрямовується оптичною системою на фотоприймальні елементи обох лінійок. По завершенні накопичення заряду в фотоприймальних елементах сигнали лінійок виводяться до регістрів виводу, підключених до кожної лінійки, далі сигнали додаються в суматорі і таким чином утворюють рядок зображення, який надходить до рядкового буфера та передається до накопичувача зображення, де зберігається протягом знімання. Увесь цикл повторюється для кожного рядка до завершення сканування. Правильна послідовність операцій забезпечується схемою управління, синхронізація виконується за відліками тактового генератора. Недоліками прототипу є погіршення просторової розрізненності в подовжньому напрямку, а також те, що фактичний час накопичення заряду в фотоприймальних елементах не збільшується у порівнянні зі звичайним оптико-електронним лінійковим сканувальним пристроєм з аналогічними параметрами. Усунути вказані недоліки можливо шляхом застосування замість однієї лінійки фотоприймальних елементів або двох, що працюють як одна (як у прототипі) m лінійок, які розташовані поперек напрямку сканування або матриці фотоприймаль 5 95143 них елементів відповідної розмірності. Але пряме розпаралелення не призведе до бажаного ефекту, оскільки час накопичення заряду 0 в фотоприймальних елементах залишається обмеженим величиною зсуву за формулою (1). Якщо ж час накопичення заряду (1) збільшити в m разів, то в кожному фотоприймальному елементі кожної лінійки буде сформований сумарний сигнал не тільки від ділянки сцени, що відповідає цьому елементу, але й від m-1 попередніх ділянок, що еквівалентно погіршенню просторової розрізненності в подовжньому напрямку в m разів. Проте, якщо від величини сигналу в поточному фотоприймальному елементі відняти величини сигналу від попереднього в стовпчику фотоприймального елементу, то одержимо як раз сигнал від поточної ділянки сцени. Якщо таку операцію виконувати з самого початку знімання, то можна відновити значення сигналів в кожній ділянці сканування, яка відповідає кожному фотоприймальному елементу. Отже, сигнал хn від поточної ділянки з номером рядка n складе xn   z t    z i t n t n i 1 t  (2) де zi(t) - накопичений за t тактів сканування в рядку з відносним номером i сигнал, причому через кожні m тактів виконувалося обнуління фотоприймального елемента. Відносний номер рядка i в матриці з m рядків, який відповідає рядку ділянок сканування з абсолютним номером n визначається співвідношенням і(n)=m+1-nmodm (3) де mod - оператор обчислення залишку від цілочисельного ділення n на m. З урахуванням (2) і (3) стає можливим реалізувати викладений спосіб сканування в оптикоелектронному сканувальному пристрої для дистанційного знімання. Склад і функціонування пристрою, що пропонується, пояснюється схемою Фіг. 1. Зображення m рядків сцени через оптичну систему проектується на m лінійок фотоприймальних елементів 1 або матрицю фотоприймальних елементів з m рядків. З початку сканування з періодом m·0, де 0 визначається формулою (1), сигнали з кожної лінійки записуються в регістри виводу 2, кількість яких дорівнює числу лінійок m, і надходять до суматорів 3, кількість яких також m, де накопичуються протягом всього знімання. Далі за допомогою декодерів адрес 4 виконується послідовне подання накопичених в кожному i-му та наступному i+1-му суматорах величин на входи віднімачів 5 таким чином, щоб поточний суматор був підключений до позитивного входу віднімача, а наступний - до негативного, що реалізує формулу (2). Тобто в кожному i-му віднімачі формується значення хn поточного n-го рядка сцени, де номери i та n зв'язані співвідношенням (3). Сигнали рядків сцени записуються в рядковий буфер 6, звідки передаються до бортового накопичувана зобра 6 ження 7, де зберігається прикінцевий результат знімання. Правильна послідовність операцій забезпечується схемою управління 8, синхронізація виконується за відліками тактового генератора 9. В запропонованому пристрої фактичний час накопичення заряду в фотоприймальних елементах збільшується в m разів при збереженні просторової розрізненності у порівнянні з оптикоелектронним лінійковим сканувальним пристроєм з аналогічними параметрами. Збільшення часу накопичення заряду суттєво підвищує відношення "сигнал-шум" без внесення зсуву зображення, що є дуже важливим для оптико-електронних знімальних систем з великими значеннями відношеня шляхової швидкості носія до висоти знімання. Працездатність принципу сканування, на якому базується конструкція запропонованого оптикоелектронного пристрою, підтверджується результатами комп'ютерного моделювання дистанційного знімання смуги місцевості шириною 400 та довжиною 900 пікселів за допомогою багатолінійкового сканера з кількістю лінійок m=6. Сформоване зображення показано на Фіг. 2, воно ідеально відтворює вхідну тестову картинку. Використані джерела 1. Манаков Ю.М. Способ крупномасштабной аэрофотосъѐмки. - Патент Российской Федерации на изобретение № 2207504, 2003. 2. Sun X. Multispectral imaging system with spatial resolution enhancement-United States Patent No 7019777, 2006. 3. Yadid-Pecht O. Optical imager using a method for adaptive real-time expanding of the dynamic range.United States Patent No 6831689, 2004. 4. Macenka S.A., Hartmann U.G., Haring R.E., Roeder H.A. Wide field-of-view imaging spectrometer.- United States Patent No 5768040, 1998. 5. Reininger F.M. Imaging spectrometer/camera having convex grating. - United States Patent No 6100974, 2000. 6. Мосов С.П., Пермяков А.В., Рєбрін Ю.К., Соловйов А.В., Станкевич С.А. Оптико-електронна апаратура для картографування та огляду місцевості з літака. - Патент України на винахід № 66660А, 2004. 7. Бурачек В.Г., Железняк О.О., Крельштейн П.Д., Надточій О.В., Шульц Р.В. Пристрій для цифрового аерофотознімання. - Патент України на винахід № 79886, 2007. 8. Nayar S.K., Schechner Υ.Υ. Method and apparatus for recording a sequence of images using a moving optical element. - United States Patent No 7554596, 2009. 9. Павлов Н.И., Шуба Ю.А. Способ дистанционного получения информации об объектах и сценах. Патент Российской Федерации на изобретение № 2135955, 1999. 10. Pine J.I. Imaging system combining multiple still images for higher resolution image output. - United States Patent No 7064779, 2006. 11. Border J.N., Morales E.O., Deever A.T. Digital image with reduced object motion blur. - World Patent No WO2008/045239A2, 2008. 7 12. Turner E.L., Hill W.A., Wilson D.L. High resolution, high speed digital camera. - United States Patent No 6198505, 2001. 13. Готинян B.C., Катушков В.О., Малашевський А.О., Онисько Б.М., Сердюков В.М. Спосіб аерофотознімання або космофотознімання. - Патент України на винахід № 40212А, 2001. 14. Lareau A.G., Speer В., Pfister W.R., Beran S.R., Swartz В., Karins J.P., Lintell R.J., Warren C.P. Multispectral or hyperspectral imaging system and 95143 8 method for tactical reconnaissance. - United States Patent No 6831688, 2004. 15. Anger CD., Babey S.K. Pushbroom spectrographic imager. - Canadian Patent No 2021052, 1995. 16. Zarnowski J.J., Karia K.V., Joyner M., Poonnen Т., Liu Li. Scanning imager employing multiple chips with staggered pixels. - United States Patent No 7554067, 2009. 9 Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 95143 Підписне 10 Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601