Тепловой и многозональный сканеры

4.3.2. Тепловой и многозональный сканеры

(Устройство, принцип действия, параметры съемки оптико-механического сканера.)

Устройство оптико-механического сканера поясним с помощью схемы теплового сканера (рис. 68). Эта съемочная система в полете принимает испускаемое объектами ландшафта инфракрасное излучение. Оно формирует запись изображения пролетаемой местности, в котором разные радиационные температуры (величины теплового излучения) объектов ландшафта и типов ландшафта, т.е. пространственное распределение температур, будут переданы в ступенях шкалы серого тона (рис. 70, 214 и 216).

Рис. 68. Схема устройства теплового сканера [95]. 1 – детектор с устройством охлаждения; 2 – сканирующее зеркало; 3 – мотор; 4 – усилитель; 5 – кинопленка; 6 – устройство управления.

Сканер состоит из трех частей (подсистем): оптико-механической, детекторного блока и записи изображения. Наклоненное под углом 45° вращающееся или качающееся зеркало сканера тестирует, т. е. получает сигнал с местности при полете в плоскости, перпендикулярной направлению полета (рис. 69). Размер захваченного сканерным зеркалом в момент съемки элемента ландшафта (элемента разрешения на местности) определяется угловым разрешением сканера и высотой полета. Благодаря непрерывно следующим друг за другом моментальным полям зрения в процессе сканирования возникает строка. Благодаря движению вперед съемочной платформы (самолета или спутника) сканерные строки следуют одна за другой. Так возникает сканерное изображение – в оригинале чаще всего шириной 70 мм растровое, построчное. Ширина снимаемой полосы местности зависит от угла качания зеркала сканера (угла сканирования) и высоты полета. Угол сканирования в большинстве случаев около 90° (±45 от направления в надир) или 120° (+60°).

Рис. 69. Принцип съемки тепловым сканером ([95] с изменениями). 1 – угол сканирования, поле зрения (FOV) + 45° от направления в надир; 2 – на спектрометр; 3 – направление сканирования; 4 – ширина полосы сканирования; 5 – направление полета; 6 – участок местности в моментальном поле зрения сканера (IFOV) 2,5х2,5 мрад.

От сканирующего зеркала тепловой сигнал захваченного потока инфракрасного излучения через телескопическую систему линз и (или) призм фокусируется на детекторном экране, который чувствителен к длинноволновому инфракрасному излучению. Детектор преобразует попадающие в него импульсы ИК-излучения в электрические аналоговые сигналы так, что их интенсивность пропорциональна попадающим на него импульсам излучения и меняется в соответствии с интенсивностью попавшего сигнала. Для того чтобы достичь хорошей рабочей величины детектора, его нужно держать на очень небольших рабочих температурах, что достигается при помощи охлаждения. Идущий от детектора сигнал (электронно усиленный) направляется источником света, излучение которого отбрасывается зеркалом, бегающим синхронно со сканерным зеркалом, на перематывающуюся рядом киноленту (рис. 68). Скорость перемотки киноленты согласована с продвижением самолета вперед и его высотой. Этим достигается такое положение, что строка записи на кинопленке соответствует строке сканирования (рис. 69). В возникающем построчном изображении разной интенсивностью серого тона воспроизводятся различия относительных температур соседних объектов местности (рис. 70). Объекты ландшафта или единицы ландшафта с более высокой температурой поверхности на тепловых сканерных изображениях выделяются светлым, а пониженной температурой – более темным серым тоном. В настоящее время интенсивность теплового излучения, измеренная тепловым сканером, большей частью записывается во время полета на магнитную ленту. Из записанных данных позднее на фильмозаписывающем приборе (устройство на базе мини-ЭВМ) изготовляют черно-белое построчное изображение снятой местности – негатив или позитив.

Рис. 70. Снимок тепловым сканером одного из ландшафтов Англии.
Теплые объекты воспроизведены светлыми, а холодные – темными оттенками серого тона. Ночная съемка, май 1971 г. (Hawker Siddeley Dynamics Ltd.).

Многозональный сканер захватывает одновременно в нескольких интервалах длин волн интегральный поток электромагнитного излучения, состоящий из отдельных потоков разной интенсивности, которые исходят от объектов ландшафта или составляющих их элементов. Рассмотрим теперь схему устройства многозонального сканера (рис. 71), который регистрирует вторичный, отраженный от объектов на поверхности планеты поток солнечной энергии в нескольких спектральных каналах видимого и ближнего ИК-диапазонов. Этот интегральный световой поток, попадая на сканирующее зеркало, отражается им в плоскость фокуса оптической телескопической системы, на которую он, предварительно пройдя через линзы и (или) призмы, фокусируется диафрагмой, величина раскрытия которой определяет мгновенное поле зрения сканера. Благодаря этой диафрагме удается сформировать фазовые пучки когерентных световых волн из попавшего на сканер интегрального светового потока, который разлагается на призмах или линзах по спектру на монохроматические пучки волн с определенной длиной волны излучения. Депрессионные, разлагающие, свойства установленных оптических призм или линз определяют число, позицию и ширину полосы спектральной зоны, в которой идет измерение. Преобразованный детектором, точнее, одной ячейкой детектора, сигнал пропорционален попадающему на него излучению и интегрален в определенном временном интервале. Его можно оцифровать, т.е. разделить по двоичному коду и записать в кодированном виде на магнитную ленту. Первичные данные с данными коррекции и точной отметкой реального времени, записанные на компьютеросовместимых стандартных магнитных лентах (CCTs – Computer Compatible Tappes), можно провести через фильмозаписывающее электронное устройство и получить на принтере черно-белое растровое изображение сюжета каждого спектрального канала (рис. 72), а также при числовой первичной обработке данных провести коррекцию, геометрическую и радиометрическую, результатов съемки, улучшить соотношение контрастности представления определенных сюжетов и, кроме того, использовать изображения для классификации спектральных характеристик объектов. Высококачественные спектральные измерения и обработка их результатов возможны, если детекторами сканера МСС вместе с идущим от поверхности Земли излучением регистрируется также и референц-поток калиброванного монохроматического излучения сканерной системы. Для этого его снимают с вращающегося сканерного зеркала в начале и в конце каждой строки сканирования или в других расчетных состояниях квазимонохроматического потока.

Рис. 71. Схема устройства и принцип действия мультиспектрального сканера (по Гюнтеру [95], с изменениями).

Рис. 72. Снимки разных диапазонов 11-канального многозонального сканера. Вверху – местность северо-восточнее Мюнхена; внизу – остров Шархёрн (Гельголандская бухта). Диапазоны каналов даны в табл. 4. (Снимки FMP, Freig. d. Reg. Obb. Nr. GS 300/7272, GS 300/7307.)

Если многозональный сканер МСС предназначен для регистрации во время полета интенсивности потока отраженного от поверхности излучения в оптическом диапазоне (примерно от 0,3 до 3,0 мкм) и при этом должен также регистрировать поток вторичного инфракрасного излучения в тепловом диапазоне (примерно от 3,5 до 14 мкм), то нужно общий поток излучения, идущий от поверхности Земли, разложить на длинноволновую и коротковолновую части, прежде чем начать регистрацию его в оптическом диапазоне. Разделение общего потока на оптическое и длинноволновое ИК-излучение достигается с помощью дихроического зеркала (селективного диска), которое отклоняет длинноволновое ИК-излучение и пропускает более коротковолновую часть потока. Наконец, оставшаяся часть потока разлагается призмами, линзами или фильтрами телескопической системы сканера на узкие спектральные каналы, интенсивность излучения в которых, как уже описывалось, измеряется и преобразуется детекторами. Примерная схема устройства такого сканера приведена ниже (рис. 73).

Рис. 73. Схема устройства многозонального сканера для съемок в видимом и тепловом инфракрасном диапазонах (DFVLR Publikation, Inst. f. Optoelektronik).

Качество и возможность обработки сканерных изображений определяются рядом параметров, одна часть которых связана с системой, а другая не зависит от нее. К зависящим от системы параметрам относятся: геометрическое разрешение; точность привязки и планарность изображения; спектральный канал, в котором получено изображение; спектральное разрешение и спектральная чувствительность, с которой можно регистрировать в отдельных каналах излучение, попавшее на зеркало сканера; и так называемая эффективная селективность, определяемая отношением сигнал/шум. Для обработки и использования сканерных данных важны точность, с какой интенсивность потока излучения, захваченного сканером, записывалась на кинопленку или магнитную ленту, и синхронность совмещения с ним тарированного референц-излучения. Важнейшие, не зависящие от системы сканера параметры: высота съемки, позиция и положение в полете, т. е. курс, высота и ориентация съемочной платформы с установленной аппаратурой во время проведения съемки, а также состояние разделяющих объект и сенсор слоев атмосферы.