Авиационный оптический комплекс высокого пространственного и спектрального разрешения с автоматическим адаптивным управлением

013800 Изобретение относится к областям оптического приборостроения и аэрофотосъемки и может быть использовано для регистрации спектрозональных изображений высокого пространственного разрешения и спектров высокого спектрального разрешения, усредненных по некоторому участку исходного изображения. Заявляемый авиационный оптический комплекс, обладающий функциями самонастраивающейся системы, может использоваться при научных исследованиях в интересах сельского и лесного хозяйства,в экономике, экологии, при контроле чрезвычайных ситуаций и других областях. Известно достаточно много авиационных панхроматических, спектрозональных, многоспектральных и гиперспектральных систем съемки, использующих как покадровый, так и сканирующий способы получения изображений [1-3]. На современном этапе развития средств дистанционного зондирования земли (ДЗЗ), как авиационных, так и космических, доминируют цифровые спектрозональные фотокамеры, использующие покадровый режим съемки, поддерживаемые большим количеством потребителей и коммерческими рынками, а также гиперспектральные системы, так называемые видеоспектрометры, позволяющие регистрировать до нескольких сотен изображений в узких спектральных каналах. Известна цифровая модульная камера DMC [4], в которой три параллельные камеры могут регистрировать изображения в трех спектральных каналах для получения псевдоцветных композитных изображений. Она является характерным представителем цифровых спектрозональных фотокамер, которые позволяют получать изображения очень высокого пространственного разрешения с приемниками до 30-75 Мпиксел, но в ограниченном числе спектральных каналов. Недостатком подобных камер является небольшое число (от 3 до 6) фиксированных спектральных каналов, определяемых установленными перед объективами светофильтрами. Известны и широко используются исследователями окружающей среды гиперспектральные системы (видеоспектрометры или спектрометры изображения) серии Casi (Compact Airborne SpectrographicImager) фирмы Alberta, Canada [5]. Системы серии Casi регистрируют до 288 отдельных спектральных изображений одновременно на длинах волн от 400 до 1000 нм с шириной полосы обзора от 550 пикселей(Casi-2 и Casi-3) и до 1500 пикселей пространственного разрешения (Casi-3 или Casi-1500). Недостатками подобных систем являются невысокое пространственное разрешение, которое в несколько раз хуже систем покадровой регистрации изображений, а также некоторая избыточность информации. Наиболее близким к заявляемому авиационному оптическому комплексу является авиационный видеоспектральный комплекс ВСК-2 [6]. Комплекс состоит из блока оптических модулей (БОМ) и бортового управляющего вычислительного комплекса (БУВК). В состав БОМ входят блок спектрозональнополяризационной съемки БСПС-1, спектрорадиометр МС-09 и цветная обзорная видеокамера(ТВ-камера). Комплекс ВСК-2 снабжен блоком точного географического позиционирования (GPS). Оптическая схема каждого из трех каналов блока спектрозональной поляризационной съемки (БСПС-01) состоит из последовательно расположенных поляризационного и интерференционного светофильтров и приемно-преобразующего свет устройства. Интерференционный светофильтр, выделив из интегрального светового потока узкий диапазон длин волн с шириной полосы пропускания на уровне 0,5 (полушириной спектральной зоны) от 10 до 30 нм, пропускает свет заданного участка спектра, который далее поступает на объективы черно-белых телевизионных камер. Световой поток определенного участка спектра фокусируется объективом на приемник излучения телевизионной камеры - ПЗС-матрицу, чувствительную в области 0,4-1,05 мкм (полный рабочий спектральный диапазон БСПС-01). Матричный приемник преобразует фотоны определенной длины волны в видеосигнал на выходе телевизионной камеры. Недостатком данного комплекса является то, что в нем использованы элементы невысокого пространственного разрешения, а спектрорадиометр выполняет функцию регистратора данных высокого спектрального разрешения. Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание авиационного оптического комплекса высокого пространственного и спектрального разрешения с автоматическим адаптивным управлением, который имел бы более широкие функциональные возможности и обеспечивал бы повышение пространственного разрешения фотосъемки при значительном расширении управляемых в автоматическом режиме спектральных каналов. Комплекс также должен обеспечивать возможность увеличения количества регистрируемой информации и сохранения работоспособности при непредвиденных изменениях свойств (отражательных оптических характеристик) подстилающих поверхностей путем смены алгоритма функционирования для поиска оптимальных настроек отдельных элементов блока оптических модулей и состояний комплекса в целом. Поставленная задача решается заявляемым авиационным оптическим комплексом, состоящим из блока оптических датчиков, содержащего многоканальный модуль спектрозональной съемки и спектрорадиометр с приемником излучения, и связанного с ним блока управления, включающего, по меньшей мере, блок питания и коммутации, центральный процессор, накопители данных, систему контроллеров,включая контроллер управления платой захвата изображения, и интерфейс оператора, причем каждый канал многоканального модуля спектрозональной съемки включает цифровую ПЗС-камеру с входным объективом, приемником и светофильтрами, которые размещены на турели, снабженной шаговым двигателем и установленной в плоскости, перпендикулярной оптической оси цифровой ПЗС-камеры с возможностью управляемого вращения с точной установкой соответствующего светофильтра перед прием-1 013800 ником цифровой ПЗС-камеры. Поставленная задача решается за счет того, что многоканальный модуль спектрозональной съемки выполнен четырехканальным и дополнительно содержит контроллер управления шаговыми двигателями, связанный посредством соответствующего устройства управления шаговым двигателем с каждым шаговым двигателем и посредством блока управления со спектрорадиометром с матричным приемником излучения, светофильтры выполнены в виде узкополосных интерференционных светофильтров, размещенных по меньшей мере по четыре на каждой турели, при этом каждый канал модуля спектрозональной съемки связан с отдельным контроллером управления платой захвата изображения блока управления, а спектрорадиометр связан с контроллером шаговых двигателей с возможностью автоматического выбора и управления комбинацией светофильтров и значений экспозиций цифровых ПЗС-камер по результатам измерения и анализа спектров отражения заданного участка съемки. Таким образом, в заявляемом комплексе благодаря тому, что спектрорадиометр выполняет роль прибора, автоматически управляющего работой всего комплекса, существенно расширяются функциональные возможности аппаратуры в целом. При этом за счет возможности автоматического управления работой системы обеспечиваются более точный выбор и установка комбинации светофильтров в каждом конкретном случае, для каждого отдельного объекта. В предпочтительных формах реализации в заявляемом комплексе контроллер управления шаговым двигателем выполнен с возможностью управления шаговым двигателем каждой турели в автоматическом или ручном режиме. В предпочтительных формах реализации в заявляемом комплексе спектрорадиометр выполнен с возможностью автоматического выбора и управления экспозицией каждой цифровой ПЗС-камеры по результатам регистрации спектра отражения снимаемого объекта, пересчета дискретов аналогоцифрового преобразования (АЦП) в спектральную плотность энергетической яркости (СПЭЯ) и анализа спектральной сигнатуры с учетом различной спектральной ширины светофильтров, освещенности подстилающих поверхностей и кривой спектральной чувствительности фотоприемных матриц цифровых ПЗС-камер. Упомянутые выше и другие преимущества заявляемого авиационного оптического комплекса будут рассмотрены ниже более подробно на одном из возможных, но не ограничивающих примеров реализации со ссылкой на позиции чертежей, на которых представлены: фиг. 1 - структурная схема заявляемого авиационного оптического комплекса; фиг. 2 - оптико-кинематическая схема блока оптических датчиков заявляемого авиационного оптического комплекса; фиг. 3 - времена экспозиций спектральных каналов и их зависимости от ряда факторов; фиг. 4 - схема пространственного сканирования спектрорадиометром с матричным приемником излучения. На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого авиационного оптического комплекса. Авиационный оптический комплекс состоит из блока оптических датчиков и блока управления. В свою очередь блок оптических датчиков включает многоканальный (в данном случае четырехканальный) модуль спектрозональной съемки (МСС), контроллер управления шаговыми двигателями и спектрорадиометр с матричным приемником излучения. МСС предназначен для получения четырех синхронных спектрозональных изображений в видимой и ближней ИК-областях спектра. Каждый канал МСС содержит цифровую ПЗС-камеру с входным объективом и приемником, турель с набором спектральных светофильтров и шаговым двигателем и устройство управления шаговым двигателем, связанное с контроллером управления шаговыми двигателями. В качестве съемочных камер в рассматриваемом примере авиационного оптического комплекса использованы, в частности, монохроматические цифровые ПЗС-камеры с приемными матрицами до 30 Мпиксел и с чувствительностью в диапазоне 0,35-1,05 мкм. МСС, таким образом, предназначен для одновременного получения оцифрованных спектрозональных изображений в четырех различных узких спектральных каналах. Более подробно блок оптических датчиков комплекса авиационного оптического комплекса представлен в виде оптико-кинематической схемы на фиг. 2, на которой схематично изображены четырехканальный МСС и спектрорадиометр. Каждый из четырех каналов МСС включает монохроматическую цифровую ПЗС-камеру, соответственно 3, 6, 9 и 12, с входным объективом, соответственно 1, 4, 7 и 10, и турелью, соответственно 2, 5, 8 и 11. На каждой турели 2, 5, 8 и 11 установлены по четыре светофильтра(красный, желтый, зеленый, синий), которые изображены на фиг. 2 без указания позиций. Каждая турель 2, 5, 8 и 11 установлена в плоскости, перпендикулярной оптической оси 18, 19, 20 и 21 соответствующей камеры 3, 6, 9 и 12 с возможностью управляемого вращения с точной установкой соответствующего светофильтра перед приемником (приемной матрицей) 22, 23, 24, 25 соответствующей цифровой ПЗСкамеры 3, 6, 9 и 12. Спектрорадиометр содержит входной объектив 13, входную щель 14 полихроматора спектрометра,вогнутую отражательную дифракционную решетку 15, плоское поворотное зеркало 16 и приемную малоформатную ПЗС-матрицу 17. Блок управления, как уже было упомянуто выше, выполнен в виде рабочей станции (PC) управления и накопления данных и представляет собой многопроцессорный промышленный компьютер, содер-2 013800 жащий блок питания и коммутации, центральный процессор, накопители данных, систему контроллеров,включая контроллеры управления платой захвата изображения, и интерфейс оператора с монитором оператора (фиг. 1). Специалисты в данной области техники смогут без труда выбрать конкретную форму реализации каждого из упомянутых элементов (устройств) блока управления в каждом случае в соответствии с поставленными задачами. В связи с этим конкретные характеристики и параметры этих устройств, а также особенности соответствующего программного обеспечения в рамках данного описания рассматриваться не будут. На фиг. 3 в графическом виде представлены времена (3) экспозиций спектральных каналов (светофильтр 1 (СФ 1), светофильтр 2 (СФ 2), светофильтр 3 (СФ 3), светофильтр 4 (СФ 4 и их зависимости от ряда факторов. В частности, на фиг. 3 в виде кривой (1) представлена кривая спектральной чувствительности цифровых ПЗС-камер (в отн. ед.), а в виде кривой (2) представлена характерная кривая спектра отражения регистрируемого растительного объекта, зарегистрированная спектрорадиометром и пересчитанная из дискретов аналого-цифрового преобразования (АЦП) в спектральную плотность энергетической яркости (СПЭЯ, отн. ед.). Таким образом, в виде "импульсов" (3) на фиг. 3 представлена характерная для данного регистрируемого растительного объекта комбинация экспозиций для четырех интерференционных светофильтров (СФ 1-СФ 4) для каждой из цифровых ПЗС-камер. На фиг. 4 представлена схема пространственного сканирования спектрорадиометром с матричным приемником излучения с борта самолета 25. На фигуре позициями обозначены: 22 - поле зрения МСС,23 - поле зрения, определяемое входной щелью спектрорадиометра по оси X, 24 - кривая зависимости СПЭЯ от длины волны , ось Y - вектор скорости полета самолета. Заявляемый авиационный оптический комплекс работает следующим образом. Используемый в заявляемой системе спектрорадиометр высокого спектрального разрешения предусмотрен для адаптивной замены светофильтров в процессе съемки и автоматического выбора значений экспозиций съемочных камер. Кроме того, он выполняет и ряд других функций. 1. Автоматический выбор и установка экспозиций каждого канала МСС с учетом различных ширин каналов, определяемых интерференционными светофильтрами, освещенностей подстилающих поверхностей и спектральной чувствительности фотоприемных матриц. 2. Получение данных высокого спектрального разрешения (не менее 1024 спектральных каналов) для нескольких пространственных строк в кадре поперек трассы полета самолета, которые используются для расчета гиперспектральных изображений на основе методики интерполяции (специального программного обеспечения) изображений МСС и спектров, полученных спектрорадиометром. 3. Измерение спектров различных объектов и формирование спектральной базы данных, которая позволит расширить круг решаемых задач путем выбора новых оптимальных каналов МСС с установкой соответствующих светофильтров в турель. 4. Автоматический выбор в полете оптимальных фильтров (из числа установленных в турелях) и установка их в рабочее состояние по результатам измерения и анализа спектров отражения заданного участка снимаемой трассы. С помощью спектрорадиометра получают спектры подстилающей поверхности, при этом отраженное излучение для каждого участка пространства проходит через входной объектив 13, входную щель 14,вогнутую отражательную дифракционную решетку 15, плоское поворотное зеркало 16 и поступает на приемную малоформатную ПЗС-матрицу 17. После чего полученную информацию в цифровой форме обрабатывают в PC с помощью соответствующих программ адаптивного управления МСС. Данные высокого спектрального разрешения, усредненные по определенному участку пространства(см. фиг. 4), и специальное программное обеспечение (СПО) позволяют обеспечить экспресс-анализ спектральных характеристик отражения разнообразных природных фонов и искусственных объектов в абсолютных значениях спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ). Результатами обработки и анализа полученных с помощью спектрорадиометра спектров высокого разрешения по алгоритмам СПО являются определение экспозиционных параметров съемки цифровых ПЗС-камер 3, 6, 9, 12 МСС и выбор спектральных зон съемки (т.е. положение турелей 2, 5, 8, 11, обеспечивающее размещение перед приемными матрицами цифровых ПЗС-камер 3, 6, 9, 12 соответственно,интерференционных светофильтров с определенной полосой пропускания), обеспечивающих наибольшую информативность и спектральный контраст. Полученные таким образом установки автоматически вводятся в контроллер управления шаговыми двигателями турелей 2, 5, 8, 11, и через средство управления шаговым двигателем в каждом из четырех каналов МСС соответствующий управляющий сигнал подается на каждый шаговый двигатель и съемочные цифровые ПЗС-камеры 3, 6, 9, 12. Шаговые двигатели в соответствии с принятым управляющим сигналом поворачивают турели 2, 5, 8, 11 в плоскостях, перпендикулярных оптическим осям 18, 19, 20,21 камер 3, 6, 9, 12 соответственно таким образом, что перед приемными матрицами 22, 23, 24, 25 цифровых ПЗС-камер 3, 6, 9, 12 соответственно устанавливается светофильтр определенного спектрального пропускания. Таким образом, применение управляемых контроллерами турелей 2, 5, 8, 11 с установленными на них узкополосными интерференционными светофильтрами обеспечивает оперативную замену-3 013800 спектральных зон съемки в автоматическом режиме. Кроме того, в системе предусмотрена возможность и ручного управления выбором спектральных зон съемки, так как контроллер управления шаговым двигателем выполнен с возможностью управления шаговым двигателем каждой турели и в автоматическом,и в ручном режимах, т.е. выбор определенных светофильтров осуществляется либо по команде оператора, либо автоматически непосредственно в процессе съемки. Для обеспечения необходимой пропускной способности каждая камера МСС подключена к отдельной плате захвата изображений. Синхронизация срабатываний цифровых ПЗС-камер МСС осуществляется с использованием триггеров цифровых ПЗС-камер (триггеров плат захвата изображений). Для накопления данных используются высокоскоростные накопители с возможностью горячей замены. Достаточно широкий круг прикладных задач, решаемых с помощью заявляемого авиационного оптического комплекса, вызывает необходимость соответствующего широкого набора интерференционных фильтров (каналов регистрации изображений). Если для решения одной конкретной задачи распознавания или классификации объектов, как правило, достаточно 3-4 каналов, то для обеспечения возможности решения аналогичных задач для многих классов объектов и определения различных параметров их состояния должен быть обеспечен выбор необходимого набора светофильтров (смены каналов), в том числе в ходе одной серии съемок. Такую технически простую смену каналов обеспечивает управляемая турель с фильтрами. В данном примере реализации 16 светофильтров (4 турели по 4 светофильтра в каждой) выбраны на основе анализа спектров отражения различных растительных объектов, а также искусственных объектов на природных фонах. Источники информации 1. Патент RU2341819 С 2, опубл. 20.12.2008. 2. Патент RU2271558 С 1, опубл. 10.03.2006. 3. Патент RU2216711 С 1, опубл. 20.10.2003. 4. Сайт компании Intergraph. Цифровая топографическая камера DMC [найдено 15.01.2009]. Найдено в Интернет: http://www.m-atelier.ru/dmc/. 5. M.S.Chubey et al. Object-based Analysis of Ikonos-2 Imagery for Extraction of Forest InventoryParameters. J. Photogrammetric EngineeringRemote Sensing, April 2006, p. 383-394. 6. Б.И.Беляев, Л.В.Катковский. Оптическое дистанционное зондирование. Минск: БГУ, 2006, с. 168181. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Авиационный оптический комплекс, состоящий из блока оптических датчиков, содержащего многоканальный модуль спектрозональной съемки и спектрорадиометр с приемником излучения, и связанного с ним блока управления, включающего, по меньшей мере, блок питания и коммутации, центральный процессор, накопители данных, систему контроллеров, включая контроллер управления платой захвата изображения, и интерфейс оператора, причем каждый канал многоканального модуля спектрозональной съемки включает цифровую ПЗС-камеру с входным объективом, приемником и светофильтрами, которые размещены на турели, снабженной шаговым двигателем и установленной в плоскости, перпендикулярной оптической оси цифровой ПЗС-камеры, с возможностью управляемого вращения с точной установкой соответствующего светофильтра перед приемником цифровой ПЗС-камеры, отличающийся тем, что многоканальный модуль спектрозональной съемки выполнен четырехканальным и дополнительно содержит контроллер управления шаговыми двигателями, связанный посредством соответствующего устройства управления шаговым двигателем с каждым шаговым двигателем и посредством блока управления - со спектрорадиометром с матричным приемником излучения, светофильтры выполнены в виде узкополосных интерференционных светофильтров, размещенных по меньшей мере по четыре на каждой турели, при этом каждый канал модуля спектрозональной съемки связан с отдельным контроллером управления платой захвата изображения блока управления, а спектрорадиометр связан с контроллером шаговых двигателей с возможностью автоматического выбора и управления комбинацией светофильтров и значений экспозиций цифровых ПЗС-камер по результатам измерения и анализа спектров отражения заданного участка съемки. 2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что контроллер управления шаговым двигателем выполнен с возможностью управления шаговым двигателем каждой турели в автоматическом или ручном режиме. 3. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что спектрорадиометр выполнен с возможностью автоматического выбора и управления экспозицией каждой цифровой ПЗС-камеры по результатам регистрации спектра отражения снимаемого объекта, пересчета дискретов аналого-цифрового преобразования (АЦП) в спектральную плотность энергетической яркости (СПЭЯ) и анализа спектральной сигнатуры с учетом различной спектральной ширины светофильтров, освещенности подстилающих поверхностей и кривой спектральной чувствительности фотоприемных матриц цифровых ПЗС-камер.