Кронберг П.
Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии

Приемники зарядовой связи (MOMC, СПОТ)

4.5. Приемники зарядовой связи (MOMC, СПОТ)

(Принципы и параметры съемок электронно-оптическими сканерами.)

На спутниках «Лэндсат-1 и -3», предназначенных для исследования природных ресурсов, были испытаны возможности применения многозональных съемочных систем МСС и РБВ для картирования поверхности Земли, оценки состояния землепользования и слежения за динамическими процессами. Результаты тематической обработки данных (прежде всего съемок МСС) были в основном положительными. Однако вскоре от различных групп исследователей стали поступать требования о введении дополнительных спектральных каналов для решения специальных задач, об изменении их положения и ширины. Оказалось также желательным улучшить пространственное разрешение и повысить точность определения координат. Часть этих усовершенствований съемочной системы была реализована на аппаратуре ТМ спутника «Лэндсат-4», которая имеет семь каналов, частично с более узкими спектральными зонами, в том числе и в длинноволновой части инфракрасного диапазона. Разрешение на местности было улучшено с 57х79 м на МСС до 30х30 м на ТМ. Были подняты спектральная чувствительность и динамические характеристики датчиков (разд. 4.4.4).
Необходимость улучшения пространственного разрешения и точности так же, как и спектральной чувствительности в узких зонах спектра поставили очень высокие требования перед системой МСС и прежде всего перед механической ее частью (сканирующее зеркало). В условиях оперативного использования ресурсного спутника в течение 10 лет и более самым слабым местом сканерной системы на нем являются механически движущиеся части. С тем чтобы повысить пространственное разрешение, точность, спектральную чувствительность и сузить спектральные каналы, для проектируемых ресурсных спутников была разработана новая многозональная съемочная система, так называемый приемник зарядовой связи – ПЗС (англ. – pushbroom-scanner) или CCD (Charged-Coupled-Device Technology).
В этом типе съемочной системы многие тысячи детекторов света – приемников зарядовой связи – образуют ряды («линейки»), ориентированные перпендикулярно направлению полета. Для каждого спектрального канала предназначается один ряд детекторов, которые последовательно один за другим включаются в действие связующим их устройством зарядовой связи. Ряды приемников излучения располагаются в фокальной плоскости оптической системы, проецирующей на них изображение земной поверхности (рис. 93, 94). Поступательное движение спутника обеспечивает развертку изображения по оси х. Развертка изображения в направлении, перпендикулярном траектории, производится по оси у последовательным электронным включением детекторов. Каждый ряд детекторов опрашивается с временным интервалом, позволяющим осуществить непрерывный переход от одной полосы сканирования к другой. При этом исходящие от каждого детектора аналоговые сигналы суммируются за некоторый малый промежуток времени, что обусловливает определенную ширину элемента разрешения на местности. Высокая геометрическая точность изображения поперек направления полета задается точностью расположения каждого детектора на линейке. Взаимосвязь между действием соседних линеек приемников, чувствительных к разным диапазонам излучения, делает возможной также точную регистрацию многозональных съемочных данных и корреляцию данных одного спектрального канала с другим [62].

Рис. 93. Принципиальная схема съемки прибором зарядовой связи. (доступно только при скачивании полной версии)

Рис. 94 а. Принцип съемки аппаратуры МОМС (из проекта фирмы MBB/ZGF, Мюнхен). (доступно только при скачивании полной версии)

Первым устройством ПЗС в ФРГ была разработанный фирмой «Мессершмидт-Бельков-Блом» (MBB/ZGF) модулированный оптоэлектронный мультиспектральный сканер (МОМС), испытанный в космическом полете в июне 1983 г. на корабле типа «шаттл» по программе STS-7. Принцип работы МОМС схематически показан на рис. 94 а. Подача одной строки изображения производится на один или несколько отрезков линейки датчиков одновременно, что требует применения в МОМС удваивающей оптики для каждого спектрального канала.
Оптико-электронный сканер типа ПЗС работает без механически движущихся частей с максимальным энергетическим выходом. В каждом отдельном датчике зарядовой связи возбуждается электрический заряд, пропорциональный яркости света, поступающего от одного элемента разрешения на земной поверхности. Последовательности электрических сигналов считываются сериями, преобразуются в цифровую форму и записываются на магнитную ленту с высокой плотностью записи. Система МОМС имеет 4 «линейки» по 1728 датчиков, т.е. 6912 элементов изображения. Чтобы построить картинку без зияний и накладок, скорость сканирования задается скоростью перемещения корабля по орбите.
В первом варианте (МОМС-01) сканер имел два канала: первый – 0,6±0,025 мкм и второй – 0,9±0,075 мкм. При высоте орбиты 250 км съемка осуществлялась в полосе шириной 140 км. Разрешение на местности составляло 20 м, радиометрическое разрешение – 128 ступеней.
При первом испытательном полете в июне 1983 г. были сняты лишь некоторые важные для анализа природных ресурсов участки Земли. При наклоне орбиты 28,5° они располагались между 30° с.ш. и 30° ю.ш. На рис. 946 приведен фрагмент одного из первых снимков МОМС, полученного в июне 1983 г. на 37-м витке полета корабля «шаттл» STS-7. Он охватывает прибрежную часть Анд на границе Перу и Чили. Оригинал снимка цветной. Ложноцветное изображение, полученное двухканальной экспериментальной системой МОМС, построено с помощью комплексной цветовой обработки, проявившей в более яркой цветовой форме разницу между яркостью в обоих каналах. В такой цветовой передаче районы, покрытые растительностью, имеют красный цвет. Высокое пространственное разрешение системы МОМС-01 способствует полному воспроизведению природных условий снимаемой местности. На рис. 94, в показана часть другого снимка региона Анд.

Рис. 94 б. Фрагмент одного из первых снимков МОМС, полученный с космического корабля «Колумбия» 20 июня 1983 г. Изображенный на снимке участок располагается в районе Арики, Чили, в краевой части Анд. Разрешение на местности 20х20 м. Изображение получено Р. Хайдном (ZGF, Мюнхен) на установке для обработки снимков. Линии сканирования на снимке располагаются вертикально, направление полета горизонтальное. Изображение не подвергалось геометрической и радиометрической коррекции. Масштаб около 1:1000000. (доступно только при скачивании полной версии)

Рис. 94 в. Фрагмент снимка МОМС пограничного района Боливии и Чили (обработка Р. Хайдна, ZGF, Мюнхен). Масштаб около 1:1000000. (доступно только при скачивании полной версии)

Во второй раз аппаратура МОМС (МОМС-01 А) была применена в январе 1984 г. при полете корабля «шаттл» STS-11; она имела те же характеристики, что и МОМС-01. Первые эксперименты с аппаратурой МОМС и их результаты были описаны Бодехтелем и др. в 1983 г. [29].
На 1986 г. планировалось испытание панхроматической системы Стерео-МОМС. С помощью двух установленных наклонно (вперед и назад относительно направления полета) модулей и одного модуля, ориентированного в надир, предполагалось получить разрешение по высоте 15 м при разрешении в плане 10 м.
Также на 1986 г. предусматривалось применение усовершенствованной аппаратуры МОМС-02, имеющей четыре спектральных канала: первый 0,6±0,025 мкм, второй 0,9±0,075 мкм, третий 1,6±0,1 мкм и четвертый 2,2±0,1 мкм. Как было неоднократно показано ранее, снимки в зонах 1,6 и 2,2 мкм представляют особый интерес для идентификации почв и горных пород. В конце 1980-х гг. аппаратура МОМС будет иметь дополнительно еще один инфракрасный тепловой канал.
Система МОМС имеет модульную конструкцию. Оптимальная для каждого направления тематических исследований комплектация системы может быть достигнута путем замены модулей, чувствительных к разным зонам спектра и соответствующих им оптических систем. Модульное построение блоков датчиков со своими периферийными устройствами допускает большое число комбинаций. Такая концепция позволяет без затруднений сочетать, к примеру, узко- и широкополосные, высоко- и низкоразрешающие каналы, причем гарантируется поэлементная корреляция данных между каналами. Таким образом, обеспечиваются разнообразные возможности системы МОМС для тематического картирования и мониторинга в средних и крупных масштабах (от 1:250 000 до 1:50000). Предусматривается применение этой системы как на пилотируемых космических кораблях, так и на оперативных ресурсных спутниках. Система МОМС, согласно информации фирмы MBB/ZGF и по сообщению Бодехтеля и др. [29], повысит возможности картирования с целью изучения литологии горных пород, тектоники, поисков месторождений полезных ископаемых, растительности, почв и т.п.
Франция планировала на 1985 г. запуск съемочной системы ПЗС по программе СПОТ (System probatoire d'Observation de la Terre). В первых запусках СПОТ будет оснащаться двумя идентичными сканирующими съемочными устройствами высокого разрешения в видимом диапазоне ХРВ (High Resolution Visible) двумя устройствами магнитной записи и аппаратурой для передачи данных. Рис. 95, а показывает схему спутника СПОТ с двумя съемочными устройствами. Высота полета спутника колеблется от 815 до 829 км. Наклонение орбиты к плоскости экватора 98,7°, период обращения 101 мин. Экватор пересекается нисходящей с севера на юг орбитой около 10 ч 30 мин местного времени.
Съемочные аппараты ХРВ могут по приказу с Земли осуществлять съемку в многозональном или панхроматическом варианте. В последнем случае съемка производится в диапазоне 0,51-0,73 мкм. Пространственное разрешение сканера в надире (величина пикселя) на панхроматических снимках достигает 10х10 м. В многозональном варианте аппараты ХРВ работают в трех диапазонах: 0,50-0,59, 0,61-0,68 и 0,79-0,89 мкм. По материалам съемок в этих трех каналах могут быть получены цветные или ложно-цветные изображения. Разрешение на местности многозональных снимков составляет 20х20 м.

Рис. 95. Спутник СПОТ, его съемочная система и ее возможности [48, 49]. (доступно только при скачивании полной версии)

Как показывает рис. 95,6, излучение, отраженное земной поверхностью, через наклонное зеркало и оптическую систему достигает линеек детекторов, расположенных в фокальной плоскости оптической системы. Панхроматический и многозональный модули состоят соответственно из 6000 или 3000 детекторов на линию сканирования. По приказу со станции управления или согласно программе, заложенной в управляющую ЭВМ, зеркало в каждом съемочном аппарате отклоняется на 27° в ту или другую сторону от направления надира перпендикулярно траектории. Это приводит к тому, что съемки могут осуществляться в полосе шириной до 475 мкм в обе стороны от траектории, как это видно на рис. 95, е. Ширина захватываемой каждым из аппаратов ХРВ полосы изменяется от 60 км в надире до 80 км при максимальном отклонении зеркала от надира. Находящаяся на борту спутника ЭВМ может изменять по заданной программе угол отклонения зеркала каждого из съемочных аппаратов, так же как и вид съемки (панхроматическая или многозональная). Рис. 95, г демонстрирует различные возможности съемки в течение одного витка.
Оба съемочных аппарата могут быть настроены на съемку соседних участков поверхности (рис. 95, д). В этом случае общая ширина снимаемой полосы составляет 117 км с надиром в ее центре при перекрытии 3 км.
Изменение отклонения зеркала аппарата ХРВ позволяет, как это показано на рис. 95, а, осуществлять стереоскопическую съемку избранного участка. Стереоскопическое перекрытие достигается тем, что этот участок снимается с двух разных витков под разными углами зрения. Возможности съемочного аппарата ХРВ позволяют также сокращать временной интервал между съемками одной и той же сцены. Соответственно параметрам орбиты при установке аппарата в надир один и тот же участок местности может быть снова заснят через 26 сут, так как спутник именно через такой промежуток времени проходит над одним и тем же участком. Внутри 26-сут периода интересующий нас участок может быть заснят до 7 раз в том случае, если он лежит в близэкваториальной области, и до 11 раз, если он расположен близ широты 45°. Рис. 95, ж показывает пример повторных съемок одного и того же участка с интервалом 5 сут с различных орбит с помощью изменения угла съемки.
Даты съемки указываются на снимках СПОТ. Каждая сцена (кадр) покрывает участок местности величиной 60 км в направлении полета и от 60 до 80 км в поперечном направлении в зависимости от вида съемки. По краям кадра располагаются координатные марки. Перед выдачей съемочной продукции (черно-белых или цветных отпечатков) потребителям данные съемок проходят различные коррекции: радиометрические, компенсирующие систематические погрешности оптической и телеметрической систем и калибровочные свойства детекторов, и геометрические – за счет отклонений направления и угла съемки, колебаний спутника, вращения и кривизны Земли. Для улучшения качества изображения применяются различные способы цифровой обработки.
Информация о программе СПОТ и возможностях применения снимков (покрытие территории, характер снимков, цены и т.д.) предоставляется Национальным центром космических исследований: Centre National d'Etudes Spatiales, Centre Spatial de Toulouse, 18, Avenue Edouard-Belin, F-31055, Toulouse Cedex.

Скачати повну версію книжки (з малюнками, картами, схемами і таблицями) одним файлом