Разработка методики выбора и расчета основных параметров и характеристик бортовых оптико - электронных систем дистанционного зондирования Хани Мохаммед Хамед Вахба Эльшейх

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Современное состояние и перспективы развития бортовых оптико электронных систем дистанционного зондирования 11

1.1 Виды разрешения бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондированния (БОЭСДЗ); взаимосвязь «внешних» и «внутренних» параметров системы 11

1.2 Обзор известных принципов формирования поля обзора бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования 16

1.3 Современное состояние и перспективы совершенствования объективов, используемых в бортовых оптико-электронных системах дистанционного зондирования 29

1.4 Современное состояние и перспективы развития фотоприемных устройств, используемых в бортовых оптико-электронных системах дистанционного зондирования 36

1.5 Современное состояние и перспективы развития оптических фильтров, используемых в бортовых оптико-электронных системах дистанционного зондирования 44

Выводы по главе 1 50

ГЛАВА 2. Оценка качества работы бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования 51

2.1 Пространственное разрешение бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования 52

2.2 Временне разрешение бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования 59

2.3 Спектральное разрешение бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования 64

2.4 Энергетическое разрешение бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования 67

2.5 Оценка качества работы БОЭСДЗ при применении пошагового сканирования с одним оптическим каналом, работающим пассивным методом 79

2.6 Оценка качества работы БОЭСДЗ при применении пошагового сканирования с двумя оптическими каналами, работающими пассивным методом 91

Выводы по главе 2 102

ГЛАВА 3. Методика определения погрешностей оценок разрешения бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования 103

3.1 Оценка влияния отклонений «внешних» и «внутренних» параметров и характеристик БОЭСДЗ на пространственное разрешение БОЭСДЗ 103

3.2 Оценка влияния отклонений «внешних» и «внутренних» параметров и характеристик БОЭСДЗ на временне разрешение БОЭСДЗ 108

3.2 Оценка влияния отклонений «внешних» и «внутренних» параметров и характеристик БОЭСДЗ на энергетическое разрешение БОЭСДЗ 112

Выводы по главе 3 121

ГЛАВА 4. Основные положения обобщенной методики выбора и расчета конструктивных параметров и характеристик бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования 122

4.1 Структура методики выбора и расчета конструктивных параметров и характеристик БОЭСДЗ 122

4.2 Анализ конкретного примера построения БОЭСДЗ и ее элементой базы 125

Выводы по главе 4 138

Заключение 139

Список литературы

• Обзор известных принципов формирования поля обзора бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования
• Временне разрешение бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования
• Оценка влияния отклонений «внешних» и «внутренних» параметров и характеристик БОЭСДЗ на временне разрешение БОЭСДЗ
• Анализ конкретного примера построения БОЭСДЗ и ее элементой базы

Введение к работе

Актуальность темы. Продолжающееся уже не первое десятилетие быстрое развитие бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования (БОЭСДЗ), устанавливаемых на летательных аппаратах (носителях), позволяет непрерывно расширять круг их применения и решать многие сложные прикладные задачи, например, в области перспективной аэрофотосъёмки, используемой в картографии и разведке для обеспечения необходимой ширины охвата территории. Эти системы широко используются в экологическом мониторинге, при разведке и исследовании природных ресурсов, при контроле состояния нефте- и газопроводов, при обнаружении очагов лесных пожаров, при картографировании минных полей и др.

В диссертации рассматриваются вопросы, связанные с методологией
проектирования системы первичной обработки информации (СПОИ) БОЭСДЗ,
состоящей из объектива и ФПУ. С точки зрения системного подхода проводится
анализ взаимосвязи схем построения БОЭСДЗ и параметров ее СПОИ с
требованиями, предъявляемыми к пространственному, временнму,

спектральному и энергетическому разрешению системы.

Сопоставление требований многочисленных пользователей БОЭСДЗ с
параметрами и характеристиками современных оптических систем и
фотоприемных устройств (ФПУ) позволяет выявить тенденции развития и
сформулировать принципы построения таких БОЭСДЗ. Для определения
перспектив развития БОЭСДЗ целесообразно прежде всего проанализировать
требования к пространственному, временнму, спектральному и энергетическому
разрешению этих систем, возникающие при необходимости решать

разнообразные практические задачи. Затем на основе результатов этого анализа
можно перейти к синтезу системы, то есть дать рекомендации по наиболее

рациональной структуре той или иной системы и по требованиям к параметрам и характеристикам основных узлов БОЭСДЗ, прежде всего оптической системы и ФПУ.

Степень разработанности темы исследований. Разработке методик выбора и расчета отдельных параметров БОЭСДЗ посвящены исследования и публикации многих авторов (М.М.Мирошников, Г.П.Катыс, В.А.Соломатин, В.В.Тарасов, А.С.Елизаренко, Ю.Г.Якушенков, Р.Сох, T.Edvards, R.G.Driggers и др.). В этих источниках рассмотрены некоторые схемы просмотра наблюдаемой сцены, а также возможные пути выбора и расчета отдельных параметров и характеристик этих систем; приводятся патентные описания ряда БОЭСДЗ, содержащие оценки только отдельных видов разрешения без рассмотрения их взаимосвязи. Обобщенная методика определения основных конструктивных параметров БОЭСДЗ, базирующаяся на сопоставлении требований многочисленных пользователей БОЭСДЗ к разрешению этих систем с параметрами и характеристиками современных оптических систем и многоэлементных ФПУ (МФПУ) и позволяющая выявить тенденции развития и сформулировать принципы построения таких БОЭСДЗ, в известной литературе отсутствует. Разработка такой методики делает тему, вынесенную в заглавие диссертации, актуальной.

Целью диссертации является установление связей между параметрами и характеристиками БОЭСДЗ для широкого круга применения этих систем, а также разработка методики выбора и расчета конструктивных параметров и характеристик оптической системы и ФПУ с учетом требований к их разрешению.

Для реализации этой цели необходимо было решить следующие задачи:

выбрать необходимое и достаточное для оценки требуемого пространственного, временнго, спектрального и энергетического разрешения число «внешних» (задаваемых потребителем аппаратуры по условиям ее работы) и «внутренних» (выбираемых и рассчитываемых разработчиком, исходя из имеющейся или перспективной элементной базы) параметров и характеристик БОЭСДЗ;

проанализировать современное состояние и тенденции развития БОЭСДЗ и их основных узлов - объективов и ФПУ;

установить количественные связи между «внешними» и «внутренними» параметрами и характеристиками, определяющие пространственное, временне, спектральное и энергетическое разрешение БОЭСДЗ;

определить возможные отклонения «внешних» и «внутренних» параметров и характеристик от их номинальных значений, при которых сохраняется требуемое разрешение системы;

сформулировать основные положения методики выбора и расчета конструктивных параметров и характеристик оптической системы и ФПУ в процессе проектирования БОЭСДЗ;

в целях оценки адекватности и реализуемости предложенной методики рассчитать в качестве примера числовые параметры и характеристики БОЭСДЗ, исходя из состояния современной и перспективной элементной базы (прежде всего объективов и МФПУ).

Предметом исследования являются СПОИ БОЭСДЗ, принципы выбора схемы просмотра подстилающей поверхности (поля обзора) и «внешних» и «внутренних» параметров и характеристик аппаратуры, зависимости между пространственным, временным, спектральным и энергетическим разрешением БОЭСДЗ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложены достаточно общие показатели эффективности работы

БОЭСДЗ, базирующиеся на определении взаимосвязи пространственного разрешения, обусловленного перспективными искажениями, и временнго, спектрального и энергетического разрешения БОЭСДЗ и представленные в виде формул и таблиц, позволяющих рассчитать или выбрать параметры и характеристики системы.

2. Получены зависимости для оценок влияния изменений условий работы и

параметров БОЭСДЗ («внешних» и «внутренних» параметров системы) на разрешение аппаратуры, отсутствующие в известных публикациях.

6 3. На основании полученных зависимостей предложена достаточно общая методика выбора и расчета основных параметров и характеристик БОЭСДЗ.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Приведенные формулы и графики позволяют не только выбрать конструктивные параметры объектива и многоэлементного ФПУ по заданному значению перспективных искажений, но и служить для обоснования требуемой высоты и скорости полета носителя аппаратуры при заданных размерах зоны просмотра подстилающей поверхности и значениях геометрического разрешения на местности, то есть согласовать «внутренние» параметры БОЭСДЗ (ее конструктивные параметры) с «внешними» параметрами – требованиями потребителя аппаратуры.

2. Предложенные методы позволяют с единых позиций осуществлять расчет и выбор параметров СПОИ вновь создаваемых БОЭСДЗ, работающих в спектральном диапазоне 0,4 – 14 мкм, а также совершенствовать характеристики элементной базы уже существующих изделий.

3. Использование разработанных методов позволяет проводить сравнительный анализ различных вариантов вновь создаваемых БОЭСДЗ и выбирать наиболее рациональные схемы построения без проведения дорогостоящих натурных экспериментов. Это, в свою очередь, позволяет существенно сократить средства на разработку этих систем.

Методология и методы диссертационного исследования базируются на положениях общей теории расчета сложных оптико-электронных систем, методиках расчета геометрических искажений в БОЭСДЗ, методиках пространственного, временнго и энергетического расчета оптико-электронных систем. В диссертации рассматриваются вопросы, связанные с методологией проектирования системы первичной обработки информации (СПОИ) БОЭСДЗ, состоящей из объектива и ФПУ. С точки зрения системного подхода проводится анализ взаимосвязи схем построения БОЭСДЗ и параметров ее СПОИ с

7
требованиями, предъявляемыми к пространственному, временнму,

спектральному и энергетическому разрешению системы.

Личный вклад автора диссертации состоит в предложении зависимостей для расчета отдельных видов разрешения БОЭСДЗ, сравнительной оценке различных схем просмотра поля обзора, формулировке этапов обобщенной методики выбора и расчета основных параметров и характеристик системы первичной обработки информации БОЭСДЗ.

На защиту выносятся следующие научные результаты и положения:

4. Обобщенная геометрооптическая схема работы БОЭСДЗ позволяет достаточно полно связать «внешние» и «внутренние» параметры аппаратуры.

5. Предложенные оценки качества работы БОЭСДЗ позволяют определить взаимосвязи пространственного разрешения, обусловленного перспективными искажениями, и временнго, спектрального и энергетического разрешения БОЭСДЗ.

3. Предложенные в диссертации формулы позволяют оценить влияние

изменяющихся «внешних» и «внутренних» параметров на достижение

требуемого разрешения БОЭСДЗ.
Достоверность полученных в диссертации выводов и рекомендаций,

содержащихся в диссертации, обеспечивается корректностью используемых
методов исследования, математической строгостью выполненных

преобразований. Она была подтверждена путем сопоставления параметров и характеристик одной из реально существующих БОЭСДЗ с результатами расчетов аналогичных параметров и характеристик по предложенной в диссертации методике.

Апробация результатов работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на конференциях студентов и аспирантов МИИГАиК в 2014 и 2015 гг., а также на Международной конференции по дистанционному зондированию (International European Optical Society EOSAM2014 Conference, Берлин, 15-19 сентября 2014 г.).

8 Публикации по теме диссертации. Основные результаты, полученные в диссертационной работе, представлены в четырех статьях в журналах, входящих в перечень ВАК РФ:

6. Х. М. Эльшейх, Якушенков Ю. Г. Пространственное разрешение бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2014. - №3. - С.109-114. ISSN 0536101X.

7. Х. М. Эльшейх, Якушенков Ю. Г. Временное разрешение бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования // Оптический журнал. – 2014. – № 10.- С. 603-606. ISSN 00304042.

8. Х. М. Эльшейх, Якушенков Ю. Г. Оценка качества работы бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка.-2015.- №.5. ISSN 0536101X.

9. H. M. ElSheikh, Yakushenkov Y.G.Spatial and temporal resolutions pixel level performance analysis of the onboard remote sensing electro-optical systems. Journal of the European Optical Society - Rapid publications, Europe, v. 9, 14035, 2014. ISSN 1990-2573.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Общий объем работы – 210 страниц машинописного текста, включая 11 рисунков, 30 таблиц, список литературы из 65 наименований и три приложения.

Обзор известных принципов формирования поля обзора бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования

Учитывая многомерность оптических сигналов, а также разнообразие задач, решаемых современными БОЭСДЗ, для описания их качественных параметров и характеристик пользуются понятиями «пространственное», «временне», «спектральное» и «энергетическое» (амплитудное) разрешение. Для большинства БОЭСДЗ, работающих в статическом режиме, наиболее важно обеспечить хорошее пространственное и энергетическое разрешение; для систем, работающих в динамическом режиме (при взаимном перемещении системы и пространства объектов), наряду с пространственным и энергетическим разрешением важным является и временное разрешение. В последнее десятилетие перед отдельными БОЭСДЗ, особенно используемыми в научных исследованиях, для мониторинга окружающей среды, для исследования природных ресурсов, а также для автоматического распознавания образов, ставится задача иметь хорошее спектральное разрешение в сравнительно широком оптическом диапазоне или одновременно в нескольких спектральных поддиапазонах [1].

Для решения задач обнаружения оптических сигналов и образов, например изображения достаточно сложного по форме, спектру и другими признакам объекта, находящегося на сложном “пестром” фоне, в современных БОЭСДЗ почти повсеместно используется ограниченное число отличительных признаков. Выбор признаков является важнейшей задачей при разработке современных БОЭСДЗ, работающей пассивным методом. Поэтому при разработке новых и совершенствовании существующих БОЭСДЗ очень важно отобрать минимальное число таких признаков, обеспечивающих заданные показатели качества работы БОЭСДЗ, но не усложняющих их конструкцию и тем самым не снижающих надежность работы систем и не удорожающих их производство и эксплуатацию.

В литературе чаще всего рассматривается трехмерный массив информации, то есть в большинстве разработок и попыток создать современные БОЭСДЗ используется совокупность геометрооптических и динамических признаков объектов (пространственная и пространственно-временная фильтрация).

Спектральные оптические признаки объектов и сигналов используются в большинстве случаев ограниченно – путем использования простой режекторной (полосовой, однополосной) или двухцветовой (двухполосной) спектральной оптической фильтрации. В то же время увеличение числа спектральных каналов (рабочих спектральных диапазонов) в составе БОЭСДЗ хотя бы до двух или трех, как это имеет место в зрительном аппарате человека, может заметно повысить “интеллектуальность” этих систем и комплексов, в которые они входят, то есть улучшить их показатели качества.

Учитывая возможные изменения оптического спектра (эффективной спектральной излучательной способности объекта или спектральной плотности освещенности изображения), связанные, например, с изменением режима работы энергетических установок на объекте, или с изменением условий прохождения оптического сигнала на трассе “объект–БОЭСДЗ”, или с изменением условий облучения объекта естественными посторонними источниками и т.д., целесообразно иметь гибкие эталоны спектральных признаков – спектральных отношений [1].

Энергетическое разрешение, определяемое как число разрешаемых уровней яркости объекта или освещенности изображения, выбирается в соответствии с требуемым отношением сигнал/шум. Необходимо учитывать взаимосвязь пространственного, временнго, спектрального и энергетического разрешения, имеющую место в реальных БОЭСДЗ. Например, если высокое пространственное разрешение достигается путем уменьшения размеров элемента изображения, то из-за этого на данный элемент будет приходиться меньшее количество энергии, которое необходимо для разделения ее по спектральным рабочим диапазонам и получения требуемого отношения сигнал/шум в каждом из этих диапазонов.

В [2-5] рассмотрены некоторые принципы работы и схемы просмотра наблюдаемой сцены, а также описываются возможные пути выбора и расчета отдельных параметров и характеристик этих систем, приводятся патентные описания ряда БОЭСДЗ, содержащие оценки только отдельных видов разрешения без рассмотрения их взаимосвязи. Однако обобщенная методика, базирующаяся на сопоставлении требований многочисленных пользователей БОЭСДЗ к разрешению этих систем с параметрами и характеристиками современных оптических систем и МФПУ, в известной литературе отсутствует. Разработка такой методики делает тему, вынесенную в заглавие диссертации, актуальной.

Требования к БОЭСДЗ особенно усложняются при размещении этой аппаратуры на борту летательного аппарата. Исходными данными при выборе и расчете БОЭСДЗ и ее основных узлов – оптической системы и ФПУ являются: спектральные рабочие диапазоны; размеры просматриваемой зоны подстилающей поверхности и высота полета; требуемые пространственное, временне, энергетическое и спектральное разрешение; скорость полета вдоль некоторого направления, принятого за одну из ортогональных осей системы координат, в которой работает БОЭСДЗ, или частота просмотра заданной зоны; состояние атмосферы на трассе «просматриваемая зона подстилающей поверхности – БОЭСДЗ».

Временне разрешение бортовых оптико-электронных систем дистанционного зондирования

Обобщенная схема работы БОЭСДЗ, работающей пассивным методом, представлена на рис.5. Примем на первом этапе, что полет носителя системы 1 происходит с постоянной скоростью Vy вдоль оси у на постоянной высоте Н по трассе, проходящей над центром сцены 5. БОЭСДЗ 2 просматривает зону подстилающей поверхности через атмосферу 10 с помощью МФПУ в виде матрицы 4 формата ЫХЩ, размещаемого в фокальной плоскости объектива БОЭСДЗ 3 с фокусным расстоянием . Скорости Vy в плоскости чувствительного слоя матричного ФПУ (МФПУ) соответствует скорость переноса изображения сцены vy. Просмотр поля по оси х осуществляется путем электронного сканирования со скоростью vx, причем vx »vy. Времени просмотра всего кадра Тк0 соответствует частота просмотра кадра 0 = 1/ к0 (при просмотре сцены в надир).

Пространственное разрешение зависит прежде всего от геометрооптического разрешения БОЭСДЗ. При работе в надир 7 х = у = 0, БОЭСДЗ исследует зону с размерами (Aпп0 = L Lyo) 6 с угловыми размерами 2 х 2у. Обозначим размеры элементов чувствительного слоя МФПУ по осям х и у в фокальной плоскости объектива как dx и dy, а соответствующие им угловые размеры в надире по направлению оптической оси как 2х0 и 2 . Оптическая ось БОЭСДЗ перпендикулярна к поверхности МФПУ и совпадает с линией надира. Пикселы МФПУ проектируются на местность поверхности оптической системой (объективом) без какого-либо искажения перспективы. Пространственное разрешение l0 Hd/ и /0 Hd/ по осям х и у на сцене определится размерами проекции пиксела МФПУ. б) Рис. 5. Обобщенная геометрооптическая схема работы БОЭСДЗ, работающей пассивным методом а) пошаговый просмотр с одним оптическим каналом б) пошаговый просмотр с двумя или более оптическими каналами При отклонении направления просмотра от линии надира (у = 0 и х 90) система просматривает кадры 8. Произвольное положение мгновенного углового поля системы определяется некоторым текущим угловым положением х оси визирования относительно линии надира, проходящей через центр элемента разложения и узловую точку объектива. Величины пространственного разрешения lxi и lyi по осям х и у для /-го пиксела (/= 0,1,.. Д/2) могут быть представлены как [8-11] где углы ві tg l (idx /) измеряются в пределах 2X по отношению к центру каждого столбца пикселов МФПУ, а знаки ( , ) определяют местоположение столбца относительно оптической оси; kxi и kyt - величины коэффициентов искажений по осям х и у, определяющие зависимости перспективных искажений от значений углового положения линии визирования х и углов ± в{.

При наблюдении вперед 9 (вдоль оси у) х = 0 и , 90 величины пространственного разрешения lxj и /л, по осям х и у для у-го пиксела (/ = 0,1,..,Лу2) могут быть представлены в следующем виде [8-11]: где углы 0j tgA(Jd/) измеряются в пределах 2y по отношению к центру каждой строки пикселов МФПУ, а знаки ( , ) определяют местоположение строки относительно к оптической оси; kxj , - величины коэффициентов искажений по осям х и у, определяющие зависимости перспективных искажений от значений углового положения линии визирования y и углов ± #,.

На рис.6. показаны зависимости перспективных искажений для различных значений углового положения линии визирования x и y [8].

Размеры элемента разрешения на подстилающей поверхности должны соответствовать заданным величинам геометрического разрешения на местности и угловым размерам зоны просмотра 2С1хх 2С1У для выбранных значений высоты полета Н.

Хорошее временное (динамическое) разрешение необходимо для недопущения смаза изображения из-за поступательного полета носителя. Для определения временного разрешения БОЭСДЗ необходимо определить период сканирования по строкам Туо - время пребывания изображения по оси у на элементах сцены, из которых состоит кадр. Это время при наблюдении в надире (Q x = О!у = 0) определяется размером МФПУ и равно [9-11]

Оценка влияния отклонений «внешних» и «внутренних» параметров и характеристик БОЭСДЗ на временне разрешение БОЭСДЗ

Выше, в начале раздела 3.1, говорилось о принятии гипотезы о малых случайных величинах отклонений параметров системы применительно к определению их параметров для временнго разрешения БОЭСДЗ. То же самое можно сказать при оценке влияния отклонений параметров системы от номинальных значений на ее временне разрешение.

Тогда для оценки влияния отклонений «внешних» и «внутренних» параметров и характеристик БОЭСДЗ на временне разрешение БОЭСДЗ можно принять, что при работе БОЭСДЗ (см. рис.5) погрешности времени пребывания изображения по оси у на элементе сцены , у и при неопределённых величинах Я, Л у и Vy могут быть представлены в следующем виде:

Формулы для расчета погрешности параметров БОЭСДЗ, связанные с требованиями к временнму разрешению при отклонениях высоты и скорости полета носителя, а также углов отклонения от надира и визирования на отдельные участки сцены от их номинальных значений, представлены в таблице 18. Подстрочные индексы «0» относятся к случаю наблюдения в надир.

Основные формулы для расчета погрешностей параметров БОЭСДЗ, связанных с требованиями к временнму разрешению при отклонениях высоты и скорости полета носителя и углов отклонения от надира и визирования на отдельные участки сцены от их номинальных значений

Основные функции ошибок отклонениях величин Н, Vy При y = 0 и отклонениях величині/, Vy, x При x = 0 и отклонениях величині/, Fy, y Погрешность времени пребывания изображения по оси y на элементе сцены Вдоль оси Вне оси Погрешность частоты сканирования строк вдоль оси у Вдоль оси V у т

Выше, в начале разделов 3.1 и 3.2, говорилось о принятии гипотезы о малых случайных величинах отклонений параметров системы применительно к определению их параметров для пространственного разрешения БОЭСДЗ. То же самое можно сказать при оценке влияний отклонений параметров системы от номинальных значений на ее энергетическое разрешение.

Тогда для оценки влияния отклонений «внешних» и «внутренних» параметров и характеристик БОЭСДЗ на энергетическое разрешение БОЭСДЗ можно принять, что при работе БОЭСДЗ (см. рис. 5 и 7), погрешности коэффициентов , , , к и у, при неопределённых величинах

Формулы для расчета погрешностей параметров БОЭСДЗ, связанные с требованиями к энергетическому разрешению при отклонениях высоты и скорости полета носителя, а также углов отклонения от надира и визирования на отдельные участки сцены от их номинальных значений, представлены в таблице 19. Подстрочные индексы «0» относятся к случаю наблюдения в надир.

Основные формулы для расчета погрешностей параметров БОЭСДЗ, связанные с требованиями к энергетическому разрешению при отклонениях высоты и скорости полета носителя и углов отклонения от надира и визирования на отдельные участки сцены от их номинальных значений

Погрешность изменения потока излучения в диапазоне АХ, которому соответствуют изменения Ає вне оси Погрешность изменения потока излучения в диапазоне АХ, которому соответствуют изменениядтэс вдоль оси эс эс эс эс эс эс вне оси Погрешностьконтрастногоотношениясигнал - шум,которомусоответствуютизменения Ар вдоль оси АФр лФ вне оси

Основные формулы для расчета погрешностей параметров, связанных с требованиями к пространственному, временнму и энергетическому разрешению БОЭСДЗ при пошаговом сканировании с одним оптическим каналом, для отклонений величин высоты H и скорости Vy полета носителя, а также углов отклонений от надира и визирования на отдельные участки сцены от их номинальных значений, представлены в Приложении Б (в таблицах 20, 21 и 22 соответственно). Аналогичные формулы при пошаговом сканировании с двумя оптическими каналами, работающими пассивным методом, для отклонений высоты H, скорости Vy и углов отклонения от надира и визирования на отдельные участки сцены от их номинальных значений, представлены в Приложении В (в таблицах 23, 24 и 25 соответственно). Подстрочные индексы «0» относятся к случаю наблюдения в надир.

Полученные зависимости погрешностей разрешения БОЭСДЗ, возникающих при отклонениях высоты и скорости полета носителя, а также углов отклонения от надира при визировании на отдельные участки сцены от их номинальных значений позволяют провести оценку влияния изменения этих параметров на качество работы системы.

Структура методики выбора и расчета конструктивных параметров и характеристик БОЭСДЗ Обобщенная методика определения основных конструктивных параметров БОЭСДЗ, базирующаяся на сопоставлении требований многочисленных пользователей БОЭСДЗ к разрешению этих систем, может быть представлена в виде совокупности следующих этапов: 1. Выбор «внешних» параметров и характеристик, описывающих условия работы и требования пользователей БОЭСДЗ. 2. Выбор или расчет «внутренних» параметров и характеристик СПОИ, обусловленных имеющейся элементной базой (прежде всего объективов и МФПУ). 3. Выбор схемы сканирования (просмотра) сцены с помощью БОЭСДЗ в зависимости от требований, предъявляемых к ее геометрооптической схеме и пространственному, временнму, спектральному и энергетическому разрешению основных узлов системы - объектива и МФПУ. При невозможности просматривать всю заданную сцену с высоким пространственным разрешением целесообразно рассмотреть возможность применения метода пошагового сканирования с одним оптическим каналом, работающим пассивным методом.

Анализ конкретного примера построения БОЭСДЗ и ее элементой базы

Выше, в начале разделов 3.1 и 3.2, говорилось о принятии гипотезы о малых случайных величинах отклонений параметров системы применительно к определению их параметров для пространственного разрешения БОЭСДЗ. То же самое можно сказать при оценке влияний отклонений параметров системы от номинальных значений на ее энергетическое разрешение.

Тогда для оценки влияния отклонений «внешних» и «внутренних» параметров и характеристик БОЭСДЗ на энергетическое разрешение БОЭСДЗ можно принять, что при работе БОЭСДЗ (см. рис. 5 и 7), погрешности коэффициентов , , , к и у, при неопределённых величинах Я, x, у и Vy, могут быть представлены в следующем виде: Величины погрешностей яркостей элемента сцены и будут равны

Формулы для расчета погрешностей параметров БОЭСДЗ, связанные с требованиями к энергетическому разрешению при отклонениях высоты и скорости полета носителя, а также углов отклонения от надира и визирования на отдельные участки сцены от их номинальных значений, представлены в таблице 19. Подстрочные индексы «0» относятся к случаю наблюдения в надир.

Основные формулы для расчета погрешностей параметров БОЭСДЗ, связанные с требованиями к энергетическому разрешению при отклонениях высоты и скорости полета носителя и углов отклонения от надира и визирования на отдельные участки сцены от их номинальных значений

Основные функции ошибок При x = у = 0 и отклонениях величин Н, Vy При , = 0 и отклонениях величин Н, Vy, x При x = 0 и отклонениях величин Н, Vy, y

Погрешность отношения сигнал-шум вне оси Погрешность стс изменения вдоль — — тс потока излучения в оси . диапазоне ЛЯ, которому CT, соответствуют изменения Ар вне оси —— Погрешность изменения потока — IL излучения в вдоль диапазоне ЛЯ, которому оси . соответствуют изменения Ає 118 Продолжение таблицы Основные функции ошибок При = y = 0 и отклонениях величин Н, Vy При r = 0 и отклонениях величин Н, Vy, x При x = 0 и отклонениях величин Н, Vy, у

Погрешность изменения потока излучения в диапазоне АХ, которому соответствуют изменения Ає вне оси Погрешность изменения потока излучения в диапазоне АХ, которому соответствуют изменениядтэс вдоль оси эс эс эс эс эс эс вне оси Погрешностьконтрастногоотношениясигнал - шум,которомусоответствуютизменения Ар вдоль оси АФр лФ вне оси

Основные формулы для расчета погрешностей параметров, связанных с требованиями к пространственному, временнму и энергетическому разрешению БОЭСДЗ при пошаговом сканировании с одним оптическим каналом, для отклонений величин высоты H и скорости Vy полета носителя, а также углов отклонений от надира и визирования на отдельные участки сцены от их номинальных значений, представлены в Приложении Б (в таблицах 20, 21 и 22 соответственно).

Аналогичные формулы при пошаговом сканировании с двумя оптическими каналами, работающими пассивным методом, для отклонений высоты H, скорости Vy и углов отклонения от надира и визирования на отдельные участки сцены от их номинальных значений, представлены в Приложении В (в таблицах 23, 24 и 25 соответственно). Подстрочные индексы «0» относятся к случаю наблюдения в надир.

Полученные зависимости погрешностей разрешения БОЭСДЗ, возникающих при отклонениях высоты и скорости полета носителя, а также углов отклонения от надира при визировании на отдельные участки сцены от их номинальных значений позволяют провести оценку влияния изменения этих параметров на качество работы системы.

Обобщенная методика определения основных конструктивных параметров БОЭСДЗ, базирующаяся на сопоставлении требований многочисленных пользователей БОЭСДЗ к разрешению этих систем, может быть представлена в виде совокупности следующих этапов: 1. Выбор «внешних» параметров и характеристик, описывающих условия работы и требования пользователей БОЭСДЗ. 2. Выбор или расчет «внутренних» параметров и характеристик СПОИ, обусловленных имеющейся элементной базой (прежде всего объективов и МФПУ). 3. Выбор схемы сканирования (просмотра) сцены с помощью БОЭСДЗ в зависимости от требований, предъявляемых к ее геометрооптической схеме и пространственному, временнму, спектральному и энергетическому разрешению основных узлов системы - объектива и МФПУ. При невозможности просматривать всю заданную сцену с высоким пространственным разрешением целесообразно рассмотреть возможность применения метода пошагового сканирования с одним оптическим каналом, работающим пассивным методом. 4. Установление связей между «внешними» и «внутренними» параметрами и характеристиками, определяющими пространственное, временне, спектральное и энергетическое разрешение БОЭСДЗ. 5. Определение погрешностей оценок разрешения БОЭСДЗ, возникающих из-за влияния на пространственное, временне и энергетическое разрешение отклонений высоты и скорости полета носителя, а также углов отклонения от надира при визировании на отдельные участки сцены от их номинальных значений. 6. На основе результатов анализа разрешения и погрешностей этих систем можно сделать выводы о наиболее рациональной структуре той или иной системы и о требованиях к параметрам и характеристикам элементной базы БОЭСДЗ (прежде всего объективов и МФПУ) для выполнения требований потребителя.