Оптимизация систем дистанционного зондирования Земли методами математического моделирования

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) с борта космического аппарата (КА) — это процесс зондирования земной поверхности из космоса с использованием свойств электромагнитных волн, излучаемых, отражаемых или рассеиваемых зондируемыми объектами, с целью лучшего распоряжения природными ресурсами, совершенствования землепользования и охраны окружающей среды. Сбор и анализ данных о процессах, происходящих на поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения, реализуется с помощью оптико-электронных комплексов. Методы ДЗЗ основаны на регистрации фотоприемным устройством (ФПУ) оптической информации в аналоговой или цифровой форме. Космическое зондирование, интенсивно развивающиеся в последние десятилетия, предоставило наукам о Земле новые возможности для исследования земной поверхности. За этот период существенно возросли объем, разнообразие и качество результатов ДЗЗ. К настоящему времени накоплен огромный фонд (более 100 млн шт.) аэрокосмических снимков, полностью покрывающих всю поверхность Земли, а для значительной части территорий с многократным перекрытием.

Часть результатов ДЗЗ сразу поступает в цифровом виде, что позволяет применять современные компьютерные технологии для их обработки и использования. Цифровое изображение формируется с помощью ФПУ, состоящего из множества чувствительных элементов (пикселей), что представимо в форме растра как числовая матрица. Каждый элемент этой матрицы, называемый пикселем, отвечает какой-либо характеристике (отражательной способности, температуре и т. д.) участка местности в определенной зоне электромагнитного спектра. Следует отметить, что размер этого участка зависит от разрешения снимка. Данные многозональной съемки в цифровом виде можно рассматривать как многомерную матрицу: в этом случае каждому участку поверхности будет соответствовать целый набор значений, называемый вектором характеристик. Основные методы тематической обработки данных ДЗЗ, специфичные для многозональной съемки, основаны на операциях с многомерными матрицами.

Современную систему ДЗЗ можно представить в виде следующей схемы:

Рисунок 1. Общая схема системы ДЗЗ.

Одним из наиболее важных аспектов улучшения системы ДЗЗ является совершенствование подсистемы сбора данных — непосредственного источника информации о состоянии снимаемой поверхности. Самым важным отличием между этими системами является технология построения регистрирующего сенсора. На сегодня наибольшее распространение получили две реализации: основанные на структурах с зарядовой связью (ПЗС-системы) и системы, построенные на КМОП-элементах (комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник). Оба устройства представляют собой полупроводниковую память. Приборы с зарядовой связью (ПЗС) являются специализированными чипами и используются только для получения изображения. Производят эти чипы всего несколько фирм. В отличие от ПЗС, область применения КМОП-устройств намного шире. Они используются как в процессорах персональных компьютеров, так и в подавляющем большинстве потребительской электроники. Так как в основном КМОП-устройства изготавливаются большими партиями и по стандартному технологическому процессу, их производство обходится значительно дешевле. Кроме дешевизны производства, КМОП-устройства обладают некоторыми преимуществами. Так как архитектура КМОП позволяет производить обработку изображений и аналого-цифровые преобразования (АЦП — ADC) непосредственно на чипе, то цифровые камеры и другие устройства, использующие технологию КМОП вместо ПЗС, в итоге оказываются значительно дешевле.

Тем не менее, в системах, где самым важным считается качество, все же используются сенсоры-фотоприемники на основе ПЗС (ФПЗС), так как они чувствительнее к свету, имеют большую степень градаций и минимум шумов, поэтому данная диссертация сфокусирована на исследовании принципов и механизмов работы сенсоров именного этого типа. Рассматриваемые сенсоры можно разделить на две основные группы: ФПЗС-матрицы и ФПЗС-линейки (одна строка матрицы). Оба типа активно используются в современных системах зондирования и обладают своими уникальными достоинствами и недостатками. Например, достоинство ФПЗС-матриц — высокое качество снимков, недостаток — высокое энергопотребление, масса и габариты, что не позволяет использовать такие сенсоры на микроспутниках. ФПЗС-линейки, напротив, обладают маленькой массой и энергопотреблением, но их использование заставляет применять сложные методы съемки (например, метод тангажного замедления), что усложняет систему управления КА и не позволяет производить маршрутную съемку.

Цель диссертационной работы (в соответствии с п. 6 паспорта специальности) — оптимизация систем дистанционного зондирования Земли методами математического моделирования. Результатом исследования должно стать решение, которое обеспечило бы лучшие характеристики результирующих снимков, чем существующие ФПЗС-линейки, и одновременно могло бы использоваться на микроспутниках как на космических аппаратах более перспективного класса. Для достижения этой цели должны быть решены следующие задачи:

• Исследовать используемые в ДЗЗ сенсоры, исследовать их достоинства и ограничения в применимости.

• Построить программные модели, позволяющие изучить принципы и механизмы работы современных ФПЗС-сенсоров.

• Разработать новый подход к работе ФПЗС-линеек, позволяющий повысить эффективность процесса съемки с использованием сенсоров этого типа.

• Разработать модели, подтверждающие эффективность разработанного подхода и показывающие ограничения его применимости.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. «Волновой» метод снятия данных с линейки ФПУ, который позволяет более эффективно выводить результаты зондирования из сенсора.

2. Концепция аппаратной реорганизации классической структуры сенсора ФПЗС линейного типа с целью реализации «волнового» снятия данных с ФПУ.

3. Структура выходных данных «волнового» алгоритма, ориентированная на ведение маршрутной съемки с использование линейки ФПЗС.

Практическая значимость. Современные системы ДЗЗ, построенные на ФПЗС-сенсорах линейного типа, позволяют получать высокое качество результирующих снимков, но в тоже время эти решения ориентированы на съемку отдельных, удаленных друг от друга кадров. Результаты данной работы позволяют минимизировать необходимость применения специализированных методик съемки, таких как тангажное замедление, и перевести сенсоры ФПЗС линейного типа из разряда средств кадровой съёмки в разряд устройств ведения маршрутной съемки, т. е. существенно повысить эффективность процесса съемки.

Расчеты, проведенные по методике априорного определения линейного разрешения на местности (ЛРМ) для ФПЗС с размером пикселя 5 мкм, показывают, что для получения ЛРМ на уровне 2,5 м необходимо иметь число шагов накопления (ЧШН) равное 6, что эквивалентно времени накопления 1-н «1,5 мс и должно быть обеспечено за счет уменьшения скорости движения изображения путем тангажирования до величины ЖСди-оэпст-оэп = — =. ' = 3,33 мм / с • тпр 1,5*10.

Следует отметить, что реализация режима тангажирования не вызывает больших трудностей, т.к. угловая скорость тангажирования остается постоянной соТ = 0,01 с-1, а сама величина юТ>За, поскольку стабилизация КА по ТЗ не хуже 0,001 гр/с.

Исходными материалами для проведения исследований послужила специальная литература, а также спецификации ФПЗС-сенсоров, используемых в различных областях, в том числе для ведения аэрофотосъемки. Исследования проводились как среди отечественных разработок, так и зарубежных. Области поиска включали не только печатную литературу, но также патентные базы и специализированные интернет-сайты и форумы.

В ходе выполнения работы был разработан ряд программных моделей, позволяющих исследовать как процессы, протекающие непосредственно внутри ФПЗС-линейки, так и механизм формирования изображения. Эти модели позволили выявить наиболее проблемные области, оптимизация которых позволила бы существенно повысить производительность сенсора. В качестве наиболее важной, с точки зрения оптимизации, была выделена операция возврата данных, полученных в результате работы сенсора. Для повышения эффективности этого процесса был предложен «волновой» метод считывания данных с фотодиодов, на который оформляется патент. Исходные модели, использованные для выявления областей проведения оптимизации, были модернизированы для подтверждения эффективности и иллюстрации работы «волнового» метода.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения общим объемом 100 страниц, содержит 2 таблицы и 37 рисунков. Список использованной литературы включает 60 наименований.

Выводы по главе 3.

1. Предложен метод, позволяющий повысить производительность систем ДЗЗ, построенных на базе линейки ФПЗС. Основная идея этого метода заключается в непоследовательном «волновом» считывании накопленного заряда с фотодиодов ФПЗС-структуры.

2. Разработаны алгоритмы моделирования, которые позволили изучить как внутреннюю работу линейки ФПЗС, так и процесс построения реального изображения в процессе полета КА с использованием сенсора этого типа.

3. С использованием имитационных программных моделей были исследованы свойства предлагаемого метода и были продемонстрированы его преимущества по сравнению с классической линейкой ФПЗС. Основным недостатком в использовании линеек ФПЗС, как отмечалось ранее, является необходимость применения метода тангажного замедления, который приводит к появлению больших слепых участков между отснятыми кадрами. Применение «волнового» метода позволяет не только сократить время рабочего цикла линейки ФПЗС, тем самым сокращая необходимое время тангажирования, но и сделать его динамически изменяемым, что позволит управлять характеристиками тангажирования, меняя качество снимков и размер слепых участков.

4. Выведена формула, связывающая характеристики «волновой» линейки ФПЗС («волновой» период, количество выходных каналов), характеристики движения КА (скорость движения, высота орбиты) с параметрами тангажирования (угловая скорость, угол отклонения). Наличие этого соотношения позволяет рассчитывать свойства «волновой» линейки с учетом условий, в которых планируется вести съемку.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе выполнен системный анализ существующих методик и подходов к разработке и использованию различных типов сенсоров. Исследованные варианты классифицированы по технологии производства (КМОП и ПЗС) и по способу организации сенсора (матрица и линейка). Решения, выполненные на базе технологии КМОП, являются достаточно дешевыми и простыми в производстве, однако такие сенсоры обладают существенно более узким динамическим диапазоном по сравнению с сенсорами, выполненными по технологии ПЗС, поэтому использование последних предпочтительнее из-за более высокого качества результирующих снимков. Целевым решением, на которое ориентирована данная работа, являются микроспутники, что наложило дополнительные ограничения (по массе и энергопотреблению) на используемый тип сенсора. Эти ограничения не позволяют использовать сенсоры ФПЗС матричного типа, которые позволяли бы получать результирующие снимки необходимого качества и размера. С учетом всех приведенных аргументов в качестве основного направления работы были выбраны ПЗС-сенсоры линейного типа как отвечающие наибольшему количеству требований, выдвигаемых к сенсорам для систем ДЗЗ, используемых на микро-спутниках.

Во второй главе более детально исследовано использование линейки ФПЗС в системах ДЗЗ. В рамках выполнения работы был разработан комплекс программных средств, позволивший промоделировать как внутренние процессы, происходящие в линейке ФПЗС, так и процесс ведения съемки поверхности Земли с КА. Большой набор входных параметров моделей позволил не только рассмотреть и изучить используемые конфигурации и режимы работы систем съемки, но и исследовать поведение системы при настройках, которые по тем или иным причинам не могут быть заданы реальным устройствам. Исследование поведения сенсора в различных допустимых и недопустимых режимах позволило детальнее изучить не только результаты работы (конечные снимки), но также условия и механизмы их формирования.

После анализа всех результатов моделирования как отдельно взятого сенсора, так механизма зондирования в целом, основным направлением работы была выбрана оптимизация механизмов выдачи результатов съемки из ФПЗС-сенсора линейного типа, так как именно этот узел был определен как узкое место всей системы съемки.

Для оптимизации механизма работы линейки ФПЗС в третьей главе был предложен «волновой» метод снятия данных с линейки фотоэлементов и применение многоканального выходного регистра с целью повышения количества выдаваемых данных о результатах зондирования в единицу времени без повышения тактовой частоты работы системы в целом. В соответствии с результатами моделирования линейка, использующая разработанный подход, намного эффективнее использует время, в течение которого осуществляется выдача накопленного заряда из сенсора. Наиболее важной особенностью работы «волнового» подхода является структура выходных данных, которая ориентирована на получение непрерывных данных зондирования. Иными словами, если при использовании классической линейки ФПЗС данные представляют набор полос, отстоящих друг от друга на определенный временной промежуток, то при использовании «волнового» метода соседние пиксели, а не целые строки, обладают постоянным небольшим временным сдвигом, который существенно (в 3−5 раз) меньше временного разрыва между строчками изображения при работе с классической линейкой. Такая структура результирующих данных является очень выгодной при обработке результирующих снимков, так как позволяет более эффективно компенсировать непрерывный сдвиг изображения и избегать потери важных элементов, которые оказались в плоскости сенсора и могут попасть между двумя отснятыми полосами, полученными при работе с классической линейкой.

Разработанный программный комплекс, состоящий из моделей линейных сенсоров (классической ФПЗС-линейки и «волновой» ФПЗС-линейки), а также системы, моделирующей процесс ДЗЗ в целом, подтвердили эффективность предлагаемого «волнового» метода.

Программный комплекс был разработан на базе платформы Microsoft .Net с использованием языка программирования С#. Для моделирования поверхности Земли, над которой проводилась съемка, использовались открытые интерфейсы (API) приложения «Планета Земля» компании Google.