Космические системы высокой разрешающей способности

Снимки высокой и сверхвысокой разрешающей способности все больше проникают на рынок информационного обеспечения. Для их получения используются спутники, орбиты которых являются солнечно-сихронными с высотой не более 1000 км.

Субполярные орбиты, у которых остается постоянным угол между плоскостью орбиты и направлением на Солнце, называют солнечно-синхронными. Спутники, выведенные на такие орбиты, используют для периодической сезонной съемки объектов при одинаковых условиях освещения, соответствующих одному и тому же местному времени. Благодаря постоянству условий съемки отпадает необходимость в коррекции снимков по освещенности и упрощается анализ изменений наблюдаемых свойств объектов во времени. Спутники на солнечно-синхронных орбитах используют, в основном, для картографирования территорий. Вместе с тем, возможность проведения с помощью этих спутников периодической обзорной съемки обширных территорий делает их незаменимыми при решении многих задач мониторинга окружающей среды.

В подавляющем большинстве современных съемочных систем использован принцип действия электрооптического сканера. При этом задействовано несколько ПЗС-линеек, которые регистрируют изображение в панхроматическом (PAN) и многоспектральном (MS) диапазонах, включая инфракрасный диапазон лучей. Сканеры с линейками на ПЗС имеют высокое пространственное разрешение – до десятков см.

Разрешающая способность панхроматических изображений, как правило, в 3-4 раза выше многоспектральных снимков. Отклонение оптической системы от надира (в разных съемочных системах от 30° до 60°) существенно расширяет возможность съемки той или иной области с одного орбитального витка. Благодаря этому появилась возможность производить съемку одной и той же территории "вперед" или "назад" и получать стереопары.

 

Съемочная аппаратура

Аэрокосмические снимки получают с помощью специальной аппаратуры - съемочных систем многократного действия. Существуют десятки различных съемочных систем, отличающихся по принципу действия, конструкции, назначению; среди них выделяют основные - фотографические, оптико-электронные и радиоэлектронные. В свою очередь, каждая из этих систем состоит из целого ряда взаимосвязанных приборов и устройств, но главными из них соответственно являются фотокамеры, сканеры и радиолокаторы, которые также имеют по несколько разновидностей. Неотъемлемой частью съемочных систем служит бортовой компьютер, управляющий их автоматической работой. Съемочная аппаратура дополняется комплексом приборов для точного определения во время полета пространственных координат и углов наклона носителя - радиовысотомерами, DIOHACC/GPS-приемниками, инерциальными системами. Работа электронных съемочных систем тесно связана с бортовыми средствами передачи видеоинформации на Землю и наземными пунктами приема этой информации. Применяются два режима передачи: синхронно с выполнением съемки (в зоне прямой видимости) с предварительной записью снятой видеоинформации на запоминающие устройства на борту носителя и быстрым ее сбросом во время пролета над пунктом приема. Все съемочные системы, предназначенные для получения аэрокосмических снимков, не только регистрируют необходимую видеоинформацию, но, к сожалению, вносят в нее неизбежные аппаратные искажения.

Каждый аэрокосмический снимок, помимо изображения земной поверхности, содержит служебную информацию: регистрационный номер, дату и точное время съемки, параметры съемочной аппаратуры, координатные метки, калибровочные данные и другие характеристики, необходимые для его последующей обработки и практического использования.

Фотографические аппараты (кадровые и панорамные) - это распространенная и универсальная съемочная аппаратура, которая используется прежде всего для съемок с самолета. В отличие от любительских масса фотоаппаратов, предназначенных для аэрокосмических съемок, составляет десятки килограммов.

Аэрофотоаппараты. Внешний вид кадрового аэрофотоаппарата и принципиальная схема его основной части - аэрофотокамеры - приведены на рис. 1.1 и 1.2. Наиболее распространенный в России размер кадра 18 х 18 см, хотя используются аэрофотоаппараты и с большим размером кадра, например 30 х 30 см. В аэрофотоаппаратах устанавливаются отфокусированные на бесконечность линзовые объективы с фокусным расстоянием от 35 до 1000 мм (наиболее часто 70, 100, 200 мм). Формат кадра и фокусное расстояние определяют угол поля зрения аэрофотоаппарата (2β). У узкоугольных аэрофотоаппаратов 2β < 40°, у широкоугольных может достигать 140°. Фотографирование производится на черно-белую, цветную или спектрозональную пленку, которая перед экспозицией тщательно выравнивается специальным устройством в плоскость. Высококачественный объектив, съемка на выровненную в плоскость фотопленку, учет ее деформации при фотолабораторной обработке способствуют тому, что снимок, получаемый кадровым аэрофотоаппаратом, представляет собою строгую центральную проекцию местности. Такие снимки наиболее пригодны для точных фотограмметрических измерений.

 

Рис. 1.1 Аэрофотоаппарат:

1 - кассета; 2 - камерная часть; 3 - объективная часть; 4 - командный прибор для управления работой аэрофотоаппарата

 

Рис.1. 2. Принципиальная схема аэрофотокамеры:

1 - оптическая ось фотокамеры; 2 - светофильтр; 3 - фотозатвор; 4 - диафрагма; 5 - выравнивающее стекло с координатными метками; 6 - прижимной стол для выравнивания фотопленки во время съемки; 7 - фотопленка; 8 - кассета; 9 - камерная часть; 10 - объектив

 

На рис. 1.3 приведена геометрическая схема получения кадрового снимка аэрофотоаппаратом. Здесь S- центр проектирования снимка, совпадающий с центром объектива; f - фокусное расстояние камеры; о - так называемая главная точка снимка; Н - высота фотографирования (съемки). Прямая, проходящая через главную точку снимка и центр проектирования, определяет направление съемки, и ее называют оптической осью камеры. На аэрофотоснимке изображаются координатные метки, которые фиксируют на снимке плоскую систему координат с началом в главной точке о. Точное знание величин фокусного расстояния и плоских координат главной точки снимка (так называемых элементов внутреннего ориентирования снимка) необходимо для фотограмметрических определений.

 

Рис. 1.3. Геометрическая схема кадровой съемки

 

Рис. 1.4. Первая многозональная аэрофотокамера.

Создана в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова в 60-х годах XX в. Предназначена для выполнения аэрофотосъемки на три типа фотопленки с тремя различными светофильтрами

 

С помощью многозональных аэрофотокамер получают снимки в нескольких узких спектральных зонах (рис.1. 4). Многозональные фотоснимки предназначены прежде всего для дешифрирования; для фотограмметрических измерений они применяются реже.

Космические фотоаппараты являются модификациями аэрофотоаппаратов. В масштабах 1:2 000 000 - 1: 3 000 000 выполнен космическим фотоаппаратом КАТЭ-140 с размером кадра 18 х 18 см. Разрешение на местности космических снимков, полученных этим аппаратом, составляет несколько десятков метров. На рис. 5 показана многозональная фотометрическая космическая фотокамера МКФ-6, имеющая шесть идентичных объективов с/= 125 мм и небольшой формат кадра - 5,5 х 8,0 мм. В фотометрических камерах предусмотрено при съемке каждого кадра впечатывание в его служебное поле ступенчатого фотометрического клина, оптическая плотность каждой ступени которого точно известна. Это обеспечивает после выполнения фотометрической коррекции определение по фотоснимкам абсолютных значений спектральной яркости объектов земной поверхности с точностью около 15 %, а относительных - 5 %.

 

Рис.1. 5. Многозональная космическая фотокамера МКФ-6

 

При съемке с быстродвижущегося носителя изображение местности смещается во время экспонирования. Сдвиг изображения δ _w рассчитывается по формуле

где W - скорость движения носителя; Н - высота съемки; f - фокусное расстояние съемочной камеры; t - экспонирующая выдержка.

Сдвиг изображения приводит к его нерезкости, существенно ухудшая качество снимка. Чем детальнее снимки, тем жестче требования к допустимому сдвигу, который не должен превышать половины величины разрешения. Поэтому съемочные фотокамеры, предназначенные для детальных съемок, приходится снабжать специальными механизмами компенсации сдвига изображения. Так, камера МКФ-6 во время экспозиции автоматически наклоняется на небольшой угол в направлении, противоположном движению носителя.

Камера МКФ-6 разработана совместно специалистами ГДР и СССР для многозональной космической фотосъёмки и изготовлена на предприятии «Карл Цейс», Йена (ГДР).

Она представляет собой агрегат из 6 аппаратов с f=125 мм и форматом кадра 55×81 мм с высокой синхронизацией работы затворов и устройством для компенсации сдвига изображения.

Съёмка производилась в четырёх зонах видимой части спектра шириной по 40 нм и двух ближних инфракрасных зонах шириной около 100 нм. Снимки, полученные с помощью этой камеры, обладали хорошими геометрическими и фотометрическими свойствами; их разрешение в видимой части спектра около 20 м, в ближней инфракрасной – 40 м.

Модифицированный вариант камеры МКФ-6М почти непрерывно работал в космосе – сначала на станции «Салют-6», а затем и на «Салюте-7».