WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Методы формирования и сжатия сложных видеооткликов в многоспектральных оптических сканерах

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).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор ВОРОБЬЕВ Валерий Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук ЧУБЫКИН Алексей Алексеевич кандидат технических наук ГОМОЗОВ Олег Анатольевич
Ведущая организация: Фрязинский филиал ИРЭ РАН, г. Фрязино, Московская область

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 «____» 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 «длинного» 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 «отрицательных» 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

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 51-й научно-технической конференции МИРЭА в 2002 г., на конференции «Инновации в радиотехнических информационно-телекоммутационных технологиях» в 2006 г., на 5-й международной научно-технической конференции, в Рязани в 2007 г. Сделано четыре доклада на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов МЭИ в период с 2003 по 2006 г. и два доклада на научно-технических конференциях ФГУП РНИИ КП в 2003 и 2006 г.г. При проведении НИР и ОКР на предприятии ФГУП РНИИ КП по темам «ЭЛЕКТРО-Л», «МЕТЕОР-М», с использованием научно-технических рекомендаций автора выпущены два итоговых отчета.

Использование результатов работы

Разработанные автором диссертации методы повышения яркостного (температурного) разрешения многоспектральных оптико-механических сканеров с построчной разверткой были использованы при разработке проекта для нового поколения космических систем ДЗЗ.

Проведены натурные испытания экспериментальных макетов тепловизионной съемочной аппаратуры по тематикам «СПОЛОХ» и «КОСТЕР». Применение предложенного автором нелинейной коррекции амплитудной шкалы предусилителя при цифровой тематической обработке изображений [1] позволяет оптимально использовать динамический диапазон АЦП для детальной передачи градаций яркости, необходимых при тематическом анализе получаемых изображений. Данное техническое решение было использовано при модернизации самолетной многоспектральной съемочной аппаратуры «АГРОС» и во вновь разрабатываемом многоспектральном сканирующем радиометре «МСУ-МР».

Результаты работы использованы в практической деятельности предприятия ФГУП РНИИ КП, что подтверждено соответствующими актами.

Личный вклад автора

Автором лично разработан новый растровый метод повышения яркостной (температурной) разрешающей способности многоспектральных оптико-электронных сканеров с построчным сканированием, отличающийся от известных использованием «длинных» одноэлементных фотодетекторов, вытянутых вдоль строки в В раз по сравнению с их поперечным размером, В >> 1. Этот метод можно интерпретировать и как новый путь компенсации геометрических пространственных искажений изображений за счет увеличенных размеров фотодетекторов; получены новые алгоритмы для расчета амплитудных характеристик нелинейных видеоусилителей, которые следует устанавливать перед аналогово-цифровыми преобразователями при цифровой обработке изображений с целью минимизации влияния шумов электронного квантования, а также классических и фотонных шумов оптических сигналов; разработано программно-математическое обеспечение для исследования подавления боковых лепестков АКФ и ВКФ видеоотклика; проведены натурные испытания макета сканирующей тепловизионной аппаратуры; разработаны рекомендации по созданию опытного образца оптико-электронного сканера с использованием предложенного метода повышения яркостного (температурного) разрешения.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 10 научных статей и текстов докладов, два итоговых отчета, зарегистрированных в ФГУП РНИИ КП, и статья в «Вестнике МЭИ», входящем в перечень ВАК. Подготовлена и зарегистрирована заявка на изобретение «Многоканальный сканирующий радиометр с широкой полосой обзора».

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 88 наименований, и приложения. Содержание работы изложено на 136 страницах машинописного текста. Основное содержание работы включает 65 рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность научно-технической задачи разработки оптико-электронных сканеров с повышенным яркостным (температурным) разрешением на базе одноэлементных фотодетекторов для перспективных отечественных аэрокосмических систем ДЗЗ. Сформулирована цель исследования.

В первой главе проведен обзор публикаций и анализ состояния проблемы по вопросам повышения яркостного (температурного) разрешения авиакосмических систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

Рассмотрены взаимозависимости параметров аэрокосмических систем ДЗЗ, в том числе, соотношения между пространственной (угловой), спектральной (частотной), временной (динамической) и яркостной (амплитудной, радиометрической, температурной, контрастной) разрешающими способностями, а также их взаимосвязи с тактико-техническими и технико-экономическими показателями системы формирования изображений (шириной полосы обзора, количеством спектральных каналов и разрешаемых градаций яркости, и рядом других параметров).

Рассмотрены традиционные методы повышения яркостного (температурного) разрешения, включающие в себя использование увеличенных апертур приемной оптики, требующее при заданной величине рабочего углового поля пропорционального увеличения размеров всех чувствительных площадок фотоприемных устройств; конструирование оптики с повышенной прозрачностью; просветление оптических поверхностей и снижение их количества за счет использования асферики; увеличение экспозиции за счет повышенной длительности наблюдения каждого из объектов; совершенствование характеристик чувствительности фотоприемных устройств; использование методов накопления сигналов за счет применение линеек или двумерных мозаик фотодетекторов, работающих в режиме ВЗН (TDI).

Рассмотрены общемировые тенденции развития космического сегмента систем ДЗЗ и видовой разведки, включающие в себя увеличение относительной доли унифицированных малоразмерных ИСЗ (миниспутников, микроспутников) при сохранении высокого разрешения бортовой оптико-электронной системы (ОЭС), в частности оптико-электронных сканеров; сохранение и дальнейшее улучшение пространственного, спектрального и яркостного (температурного) разрешений нового поколения малогабаритных систем ДЗЗ, что невозможно без внедрения в ОЭС новых технологий приема сигналов, в частности на базе вакуумных, плазменных и твердотельных квантаконов (счетчиков фотонов); расширение областей применения гиперспектральных и видеоспектрометрических съемок с числом каналов более сотни; формирование высококачественных изображений, полученных в разных диапазонах спектра электромагнитных волн.

Проведен анализ методов улучшения яркостного (температурного) разрешения аэрокосмических изображений, включающие в себя методы оптимизации геометрических и спектральных условий космических наблюдений, позволяющие получить максимум отношения сигнал/шум; методы оптимизации структуры и параметров сквозного канала фотоприемной аппаратуры системы ДЗЗ; голографические методы преддетекторной (оптической) и последетекторной обработки изображений; методы синтезирования изображений за счет комплексирования видеоданных об одном и том же участке поверхности, полученных в разное время в разных спектральных диапазонах разными приборами. Рассмотрены как аналоговые, так и цифровые алгоритмы улучшения изображений посредством накопления энергии сигналов, а также и их комбинации, которые, по большей части, хорошо обоснованы математически. Эти методы подразделяются на следующие виды: когерентные и некогерентные; оптические (додетекторные) и оптико-электронные (последетекторные); пространственные, частотные (спектральные) и амплитудные (яркостные, радиационные, температурные). Рассмотрены ограничения при выборе параметров объективов для cканеров с одноэлементными или мозаичными фотодетекторами. Показаны мировые тенденции развития современных фотодетекторов, где наряду с улучшением пороговой чувствительности и обращением к режиму временной задержки и накопления (ВЗН - TDI, time delay & integration) наблюдается стремление к использованию фотодетектирования в режиме счета фотонов, при котором главным источником шумов выступает квантовый шум оптического сигнала.

Отмечена перспективная технология фотокатодов с отрицательным сродством к электрону, которая позволяет создавать охлаждаемые вакуумные приборы с повышенной фоточувствительностью и более равномерной зонной характеристикой на длинах волн до 1,7 мкм. Рассмотрены тенденции развития оптических модуляторов для обработки оптических изображений. Рассмотрены особенности сжатия сложных радиосигналов в моноимпульсном режиме приема с кодированием М - и некогерентными последовательностями. Показано, что у этих последовательностей уровень и количество боковых лепестков АКФ и их шумовые характеристики не удовлетворительны. Пониженным уровнем боковых лепестков отличаются усеченные кодовые последовательности Р.Х. Баркера, которые состоят из символов ±1. У таких кодов со значениями базы В = 3; 4; 5; 7; 11 и 13, уровень всех боковых лепестков сжатых последовательностей одинаков и равен 1/В. Для примера рассмотрены АКФ кода Баркера с базой В = 5, В = 7, В = 13; код Лежандра с базой В = 19; код 26; код Якоби с базой В = 35. По виду АКФ можно заключить, что все упомянутые коды отличаются недопустимо большим уровнем боковых лепестков и поэтому малопригодны для решения задачи повышения яркостного (температурного) разрешения сканеров со строчным сканированием изображений. Рассмотрен метод подавления боковых лепестков АКФ, разработанный Н. И. Амиантовым. Рассмотрены многофазные коды и дополнительные последовательности М. Д. И. Голея, обладающие особыми корреляционными свойствами: в сумме АКФ дополнительных последовательностей Голея боковые лепестки теоретически полностью скомпенсированы. Дополнительные последовательности Голея идеально подходят для нового их применения решения проблемы многократного повышения яркостного разрешения оптико-электронных сканеров с «длинными» одноэлементными фотодетекторов типа счетчиков фотонов в спектральных каналах. При этом нерешенной задачей остается поиск метода технической реализации многофазной оптической модуляции огибающих сигналов на входах «длинных» одноэлементных фотодетекторов. Показано, что применение нелинейности в аналоговом тракте обработки до АЦП позволит стабилизировать уровень квантового шума, так как он связан аналитически со средним уровнем оптического сигнала.

Рассмотрены принципы построения российских оптико-электронных сканеров на примере космического многоканального радиометра «МСУ-МР» (шесть спектральных каналов), самолетного сканера «АГРОС» (20 спектральных каналов), непосредственное участие в создании которых принимал автор на предприятии ФГУП РНИИ КП [10].

Во второй главе рассмотрена статистическая интерпретация контраста яркостей пикселей изображения. Показано, что яркостное (температурное) разрешение оптико-электронных сканеров, отображаемое через поверочную статистику Т12 обнаружения разладки контраста, тем лучше, чем больше произведение К122(S/N), где: К12 – контраст средних освещенностей соседних пикселов ; (S/N) отношение сигнала к его квантовому шуму. Дано теоретическое обоснование повышения яркостного (температурного) разрешения многоспектральных оптических сканеров с применением алгоритмов накопления видеосигнала путем сжатием импульсного видеоотклика приемной системы. С целью повышения яркостной (температурной) разрешающей способности оптических сканеров предложено использовать одноэлементный, удлиненный в направлении строки сканирования фотодетектор; выбрать код сложного сигнала с удовлетворительным уровнем боковых лепестков; в соответствии с этим кодом преобразовать с помощью фокального растра исходный, увеличенный по длительности аппаратный (импульсный) видеоотклик сканирующей ОЭС сканера в сигнал с большой базой; продетектировать сложный импульсный отклик с сохранением его базы; обеспечить накопление энергии видеосигнала в каждом из пикселов изображения за счет сжатия упомянутого импульсного отклика в линейном фильтре, согласованном с формой этого отклика; использовать дополнительные методы подавления боковых лепестков сжатого видеоотклика до заданного уровня.

Приведем сводку формул при различных методах сжатия импульсного отклика ОЭС в оптических сканерах c построчным сканированием:

  • использование АКФ импульсного отклика hB(t), с большой базой

; (1)

  • использование ВКФ импульсного отклика hB(t) с большой базой и весовой функции hР(t), определенной по методу Н. И. Амиантова,

; (2)

  • использование суммы АКФ двух дополнительных кодов Голея одинаковой длины

. (3)

Предложен и исследован на конкретных примерах новый алгоритм дополнительного снижения уровня боковых лепестков АКФ (ВКФ) импульсного видеоотклика h(t) посредством взвешенной суперпозиции этих АКФ (ВКФ), задержанных в соответствии с расположением их боковых лепестков,

V(t) = (4)

где k – временной интервал, а также длительность каждого из дискретов кода, k = 1, …. N; N = B – 1, Ак – веса, обеспечивающие минимум отношения амплитуд самого большого бокового лепестка и основного пика АКФ (ВКФ), Ак 1.

В соответствии с алгоритмом (4) на рис. 1 показано дополнительное снижение уровня боковых лепестков посредством взвешенной суперпозиции АКФ для кода Баркера с базой В=5, очевидный выигрыш отношения основного пика к боковым лепесткам составляет более чем в два раза. Дальнейшее снижение уровня боковых лепестков достигается повторением описанной процедуры над улучшенным видеооткликом рис. 1–d, и так далее.

Представлен разработанный автором метод инженерного расчета параметров шумов на выходе сжимающих фильтров сложных сигналов в условиях воздействия аддитивных шумов с нулевым средним. Закон сложения элементов по разному задержанной и взвешенной выборки шума на выходе таких фильтров можно получить методом полной математической индукции.

Рассмотрены методы минимизации негативных последствий использования аналого-цифровых преобразователей (АЦП), которые являются динамическими нелинейными многопороговыми устройствами, ограничивающими возможности обработки из-за необратимых частичных потерь информации. Для уменьшения требуемой разрядности АЦП применяют разбиение динамического диапазона на поддиапазоны, введение нелинейностей перед АЦП.

При некогерентном видеодетекторном приеме многомодового излучения от подстилающей поверхности (или от цели) амплитудная характеристика нелинейного видеоусилителя (НВУ) имеет вид:

(5)

где: М число степеней свободы оптического сигнала, 2n дисперсия аддитивного внутреннего шума, Vp среднее значение амплитуды однофотонного импульса на входе НВУ. В характерном для пассивных оптических систем формирования изображений M и 2n0 имеет место U(V) ~ V. В радиосистемах, как правило, U(V) ~ lnV.

Количество R разрешаемых градаций амплитуды в динамическом диапазоне V1…V2 ( 0 V1 << V2) для НВУ с характеристикой (5) при n = 0 определяется выражением:

(6)

Дополнительный выигрыш в точности воспроизведения амплитуды с помощью АЦП или уменьшение его разрядности можно получить за счет использования НВУ с U(V), превращающей распределение плотности W(U) в равномерное: dU/Umax = W1(V)dV, тогда следует:

(7)

При тематической обработке изображений с помощью НВУ необходимо согласовывать динамические диапазоны АЦП с критическими областями принятия статистического решения о наличии тематической цели. Пример такой передаточной характеристики НВУ представлен на рис. 2. В общем случае, на одних участках шкалы можно использовать её сжатие, а на других - растяжение. При радиометрических измерениях нелинейность компрессора U1(V) восстанавливают аналоговым или алгоритмическим цифровым способом последовательно включенной второй нелинейностью U2(V). Это возможно, если амплитудные характеристики U1(V) и U2(V) являются однозначными взаимно обратными функциями V, для которых выполняется соотношение

U1 [U2(V)] = U2 [U1(V)] = V.

В третьей главе представлена техническая реализация новых методов повышения яркостного (температурного) разрешения оптико-механических сканеров с построчной разверткой [8, 9]. Обобщенная структурная схема ОЭС сканера, в которой реализуются предложенные в главе 2 алгоритмы накопления видеосигнала, представлена на рис. 3.

Она состоит из последовательно соединенных оптической системы 1, осуществляющей построчное сканирование и фокусировку изображения, модулятора-фильтра 2 пространственных частот и фотоприемного устройства 3.

Модулятор 2, устанавливаемый в области действительного изображения, состоит из последовательно соединенных диафрагмы 4, ограничивающей пространственную область накопления энергии сигнала, модулятора пространственных частот 5 в виде неравномерной дифракционной решетки и, возможно, оптического коллектива 6, формирующего выходной зрачок 7 оптической системы. Плоскость выходного зрачка 7 совмещена с фоточувствительной поверхностью одноэлементного фотодетектора 8, размеры которого полностью перекрывают выходной зрачок. Использование коллектива, формирующего выходной зрачок, позволяет устранить зависимость качества сжатия видеосигнала от влияния неоднородностей квантовой эффективности в разных точках фоточувствительной площадки детектора (зонной характеристики чувствительности).

Закон сканирования и ориентация «длинного» фотоприемника в оптико-механическом сканере с построчной разверткой представлен на рис. 4.

Предложена реализация двухканального метода растрового формирования «положительных» и «отрицательных» дискретов импульсной характеристики h(t) ОЭС оптических сканеров с построчной разверткой. Модулятор пространственных частот представляет собой одномерный растр, содержащий прозрачные и отражающие лепестки. Отсутствие коллектива, образующего выходной зрачок, повышает требование к однородности зонной характеристики двух фотодетекторов. От этого недостатка свободна дифференциальная схема растрового формирователя сложного видеоотклика с двумя детекторами, установливаемыми в выходном зрачке оптической системы.

Рассмотрена реализация режима ВЗН в малоэлементном (от 4 до 40 элементов) матричном фотоприемном устройстве с использованием коммутируемых накапливающих конденсаторов [7]. В отличие от применяемого в ПЗС-структурах режима «пожарных ячеек» автором использован новый метод синхронного сопровождения каждого пиксела одним «бегущим по кругу накопителем» заряда (round-flying capacity).

Четвёртая глава посвящена виртуальному и натурному моделированию формирования построчного импульсного видеоотклика ОЭС с большой базой с его последующим сжатием для подтверждения возможности повышения яркостного (температурного) разрешения многоспектральных оптических сканеров с построчной разверткой [3…6]. Моделирование производилось в программной среде «Electronics Workbench» с выбором параметров ОЭС, соответствующих реальному сканеру. Моделировалась структура «отражательно-пропускательного» типа реального двухканального формирователя видеоотклика ОЭС, на первом из выходов которого выделяются только положительные, а на втором только отрицательные элементы кода. Разработанные алгоритмы когерентного сжатия импульсного видеоотклика ОЭС были применены в экспериментальном макете тепловизионной сканирующей аппаратуры в рамках НИОКР по тематикам «СПОЛОХ» и «КОСТЕР» предприятия ФГУП РНИИКП, в создании которого автор принимал непосредственное участие. При экспериментальной отработке методов сжатия некогерентных оптических сигналов ОЭС в макете в качестве весовых коэффициентов при модуляции использовался код Баркера с базой B, равной 5. Полученные и обработанные тепловые изображения иллюстрируют хорошее совпадение экспериментальных результатов с теоретическими выводами автора (теоретическое улучшение С/Ш должно составлять в B1/2 т. е. 2,23 раза, а полученное улучшение С/Ш составило 2,1 раза).С помощью аппаратуры тепловизионной съемки, разработанной автором, и программного обеспечения «TeploScan», разработанного РГРТА (г. Рязань), были проведены натурные съемки подвижного состава железнодорожного транспорта, подтвердившие эффективность выявления дефектов в колесных парах.

Заключение

1. Для решения научно-технической задачи многократного повышения яркостной (температурной) разрешающей способности оптико-механических сканеров с построчной разверткой автором предложен, теоретически и экспериментально обоснован новый метод их построения, отличающийся от известных использованием «длинных» одноэлементных фотодетекторов, вытянутых вдоль строки в В раз по сравнению с их поперечным размером, В >>1.

2. Теоретически и экспериментально обосновано применение в оптико-механических сканерах с построчной разверткой с «длинными» фотодетекторами нового метода когерентного сжатия сложного импульсного видеоотклика ОЭС сканера, в соответствии с которым выбирают кодовую последовательность с базой В, обеспечивающей заданную кратность увеличения отношения «сигнал-шум»; посредством пространственной модуляции кодируют по закону выбранной последовательности текущие оптические сигналы изображения, бегущего в пределах мгновенного углового поля сканера, согласованного с размерами «длинного» фотодетектора; детектируют оптические сигналы, а полученные видеосигналы с базой, равной В, подвергают взаимной корреляции с опорными сигналами, выбранными с целью минимизации боковых лепестков АКФ (ВКФ).

3. Разработаны, теоретически обоснованы и определены пути технической реализации алгоритмов накопления видеосигналов методом сжатия импульсного видеоотклика ОЭС сканера по п. 1 с использованием либо известных усеченных кодов, отличающихся уменьшенным уровнем боковых лепестков АКФ (ВКФ), например, кодов Баркера или Голея, либо известного метода неоптимальной линейной фильтрации кодов, предложенного Н.И. Амиантовым.

4. Разработан, теоретически и экспериментально обоснован новый алгоритм дополнительного снижения уровня боковых лепестков АКФ (ВКФ) импульсного видеоотклика ОЭС сканера по п. 1 посредством взвешенного суммирования этих АКФ (ВКФ), задержанных относительно друг друга в соответствии с расположением их боковых лепестков.

5. Разработан, теоретически и экспериментально обоснован новый алгоритм дополнительного снижения или, теоретически, полной компенсации боковых лепестков АКФ (ВКФ) импульсного видеоотклика за счет его формирования в двух параллельных каналах, в одном из которых содержатся только, условно, «положительные» кодовые дискреты, а в другом – только «отрицательные». Алгоритм позволяет выделить необходимый для компенсации боковых лепестков АКФ (ВКФ) видеоимпульс одиночного дискрета либо их малоимпульсные комбинации.

6. Разработан метод инженерного расчета параметров шумов на выходе сжимающих фильтров, с помощью которого им было, в частности, доказано, что предложенные способы многократного дополнительного уменьшения боковых лепестков АКФ (ВКФ) по сравнению с результатами процедуры согласованной фильтрации всегда связаны с аналитически определяемым, но незначительным снижением величины отношения «сигнал-шум».

7. С целью минимизации потерь информации при последующей цифровой обработке изображений с учетом статистик отсчетов фотонов автор аналитически и численно исследовал амплитудные характеристики нелинейных видеоусилителей, которые следует устанавливать перед АЦП. Автором показано, что для максимального снижения уровня шумов электронного квантования нужно, чтобы величина младшего значащего разряда (МЗР) аналогово-цифрового преобразователя, подключенного к выходу нелинейного видеоусилителя, была всегда согласована с величиной статистически разрешаемой градации амплитуды на любом уровне истинного значения последней.

8. Разработаны новые алгоритмы для расчетов амплитудных характеристик (типа lnV, V1/2) нелинейных видеоусилителей, которые следует подключать ко входам аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) для стабилизации уровней мощностей суммы внутреннего, а также классического и квантового шумов на их входах с целью минимизации влияния шумов квантования при последующей цифровой обработке изображений.

9. Разработан новый алгоритм для расчета количества статистически различимых градаций яркости изображения в заданном динамическом диапазоне сигналов по заданным статистикам всех компонентов шумов, в общем случае нестационарных.

10. Рекомендовано при тематической многоспектральной или гиперспектральной обработке изображений с помощью нелинейных видеоусилителей, подключаемых ко входам АЦП, (в общем случае, многоканального), согласовывать динамические диапазоны упомянутых АЦП с критическими областями принятия статистического решения о наличии тематической цели.

Приложение содержит программу, разработанную автором, служащую для оперативного вычисления АКФ нециклических видеосигналов с большой базой, а также расчета трансформаций этих функций при изменениях числа и фаз элементов (дискретов) бинарных кодовых последовательностей конечной длины.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

  1. Воробьев В.И., Гектин Ю.М., Гуськов А.В., Фролов А. Г., Нелинейная коррекция амплитудной шкалы при цифровой тематической обработке изображений М.: Вестник МЭИ, Изд. МЭИ, №1, 2003, С.84-88.
  2. Гуськов А.В., Фролов А.Г. Алгоритмы улучшения многоспектральных изображений разного качества и оценки их точности // Радиотехника, электроника и энергетика: Тез. докл. Девятой междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов 4-5 марта 2003г.. В 3-х т. Т. 1. – Издательство МЭИ, 2003 г. – С.23.
  3. Гуськов А.В., Фролов А.Г. Оптимизация импульсной характеристики линейки ИК-фотодетекторов в режиме временной задержки и накопления // Радиотехника, электроника и энергетика: Тез. Докл. Девятой междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов 4-5 марта 2003г.. В 3-х т. Т. 1. – Издательство МЭИ, 2003 г. – С.24.
  4. Гуськов А.В., Фролов А.Г. Экспериментальные исследования параметров электронного корректора импульсной характеристики фотодетектора // Радиотехника, электроника и энергетика: Тез. Докл. Девятой междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов 4-5 марта 2003г. В 3-х т. Т. 1. – Издательство МЭИ, 2003 г. – С.24.
  5. Гуськов А.В., Фролов А.Г. Сравнение методов программно-аппаратурного моделирования искажающих линейных фильтров // Радиотехника, электроника и энергетика: Тез. Докл. Десятой Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов 4-5 марта 2003г.. В 3-х т.: МЭИ, 2004. Т. 1. – С.33.
  6. Гуськов А.В., Фролов А.Г. Восстановление построчных изображений с помощью многокаскадного усилителя с лестничной структурой селективных обратных связей // Радиотехника, электроника и энергетика: Тез. докл. Двенадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов 2-3 марта 2006 г.. В 3-х т. – М.: МЭИ, 2006. Т. 1. – С.33.
  7. Прокофьев П.Р., Фролов А.Г. Повышение отношения «сигнал-шум» в инфракрасных системах дистанционного зондирования // 51-я научно-техническая конференция МИРЭА. Сборник трудов. Часть II. Физико-математические науки. Технические науки. Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) - М., 2002 г. – С.35 – 39.
  8. А. Г. Фролов. Реализация шенноновского режима восстановления ИК-изображений в сканирующих радиометрах с ВЗН-фотодетекторами. Тезисы докладов научно-технической конференции ФГУП «РНИИ КП» 26-29 мая 2003 г. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. – С.194.
  9. А. Г. Фролов. Практическая реализация методов повышения яркостного (температурного) разрешения сканирующих радиометров. Тезисы докладов научно-технической конференции ФГУП «РНИИ КП» посвященной 60 – летию предприятия, 10 – 12 октября 2006г. – М.: РФФИ, 2006. – С.353.
  10. Акимов Н. П., Гектин Ю. М., Смелянский М. Б., Фролов А. Г. «ИК-радиометры нового поколения на основе многоэлементных приемников излучения» М.: Мехатроника, автоматизация, управление №5, 2007. Приложение, Изд. «Новые технологии», С.2 – 5.

Печ. л. Тираж Заказ

Типография МЭИ, Москва, Красноказарменная ул., 13.



 





<


 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.