научная статья по теме РАЗРЕШЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ВЕНЕРЫ ПРИ СЪЕМКЕ С АЭРОСТАТА ИЛИ СПУСКАЕМОГО АППАРАТА МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Астрономия

Текст научной статьи на тему «РАЗРЕШЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ВЕНЕРЫ ПРИ СЪЕМКЕ С АЭРОСТАТА ИЛИ СПУСКАЕМОГО АППАРАТА МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ»

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2015, том 49, № 2, с. 117-120

УДК 523.42

РАЗРЕШЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ВЕНЕРЫ ПРИ СЪЕМКЕ С АЭРОСТАТА ИЛИ СПУСКАЕМОГО АППАРАТА МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ © 2015 г. А. П. Экономов

Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИРАН) e-mail: alekonomo@yandex.ru Поступила в редакцию 17.02.2014 г.

Съемка поверхности Венеры в оптическом диапазоне затруднена слоем непрозрачных облаков на больших высотах. В то же время подоблачный слой имеет окна прозрачности в длинах волн: X = = 1.08, 0.85 и 0.65 мкм. На этих длинах волн слабее газовое поглощение (всей атмосферы, а не только подоблачного слоя), и прозрачность атмосферы в основном определяется рассеянием на молекулах. Статья посвящена результатам компьютерного моделирования методом Монте-Карло съемки поверхности с аэростата или спускаемого аппарата. Показана возможность съемки с нижней границы облаков.

Ключевые слова: Венера, съемка поверхности, метод Монте-Карло. DOI: 10.7868/S0320930X15020012

Получение подробного изображения поверхности Венеры является актуальным около 40 лет. Получены изображения только небольшого участка вблизи спускаемого аппарата после его посадки. Для съемки с орбиты препятствием является слой непрозрачных облаков на высоте 80—50 км. Облака прозрачны для радиоволн, но существующий радиолокатор дает разрешение около 100 м (Ва8ИеУ8ку и др., 2002). Лучшее разрешение может дать съемка в подоблачном слое с аэростата или спускаемого аппарата. Главное преимущество оптического метода состоит в возможности картирования с использованием маленькой ТВ-камеры. Первая попытка оценить возможность такой съемки сделана в фундаментальной статье (Мого2, 2002). Но недостатком этой оценки является отсутствие исследования зависимости качества изображения от размеров деталей на поверхности. Осталось неясным, полученные оценки справедливы для любых деталей, или только для крупных. Кроме того, в статье (Мого2, 2002) использовались приближенные интегральные методы и экспериментальные данные (Бкопошоу и др., 1979), т.е. полуэмпирический подход. Чтобы перейти к стандартной оценке качества изображения, то есть частотно-контрастной характеристике (ЧКХ), в настоящей работе применен другой метод расчетов — моделирование распространения излучения методом Монте-Карло.

Модель состоит из симулированного изображения поверхности, которым может быть стан-

дартная штриховая мира (test pattern-grid of lines), слоя газа над поверхностью с известной диаграммой рассеяния и известной оптической толщиной (Moroz и др., 1986). Слой газа считается непо-глощающим (Marov и др., 1973), так как расчеты проводились в окнах прозрачности, т.е. при отсутствии истинного поглощения. Есть два пути учета поглощения: повторить заново все расчеты или сделать интегральную оценку. Оценка по результатам работы (Афанасенко, Родин, 2007) дает суммарное поглощение в окне прозрачности, не превышающее ослабление за счет рассеяния. Также промоделирован объектив, создающий изображение объекта, имитирующего поверхность.

В слое газа рассчитывается путь каждого фотона. Большое количество испущенных фотонов — сотни миллионов — позволяет построить изображение поверхности с помощью объектива камеры с учетом рассеивания в газовом слое. Модель объектива создает изображение в плоскости изображения. При этом реальная камера может быть расположена на баллоне на высоте 43— 48 км или на спускаемом аппарате на траектории от 48 км до поверхности. Имеются три окна прозрачности газовой углекислотной атмосферы в длинах волн: X = 1.08, 0.85 и 0.65 мкм, расположенные в порядке убывания прозрачности. Расчеты проводились для всех трех окон. При этом, как и в (Marov и др., 1973), предполагалось рассеяние в атмосфере по закону Рэлея с индикатри-

118

ЭКОНОМОВ

Рис. 1. Модель для компьютерного расчета: (а) объект — штриховая мира, (б) рассеивающий слой, (в) объектив, (г) фокальная плоскость.

сойр(а, X) = 0.375 (1 + ео82а)/Х4, где а — угол рассеяния, а высота съемки — 45 км над поверхностью, т.е. от нижней границы облачного слоя. Также был проведен расчет для высоты 16 км над поверхностью для X = 0.65 мкм. Оптические толщины 1.3 (X = 1.08 мкм), 2.5 (0.85 мкм), 8.0 (0.65 мкм) для высоты съемки 45 км и 5.5 (0.65 мкм) для 16 км.

Полученные в результате виртуального эксперимента изображения подвергались анализу: определялся контраст изображения и его отношение Т к контрасту без рассеивания. Контраст изображения определялся по формуле к = 2Ь/е, где Ь — стандартное отклонение, с — средняя яркость в изображении. Это отношение и служит оценкой влияния рассеивания в газовом слое на деградацию изображения, а зависимость Т от

Рис. 2. Пример деградации синтезированного изображения за счет рассеяния.

пространственной частоты изображения определяет ЧКХ. Обычно ЧКХ (или MTF — modulation transfer function) — отношение контраста изображения к контрасту оригинала в зависимости от пространственной частоты — служит для оценки качества оптических систем. Для ее определения обычно проводится реальный физический эксперимент, в котором для тестирования используется в качестве объекта мира — периодическая решетка, в которой чередуются параллельные черные и белые линии. В данном случае для вычислительного эксперимента также были выбраны в качестве объекта черно-белые решетки с различной пространственной частотой 10—2000 линий на объект. Рисунок 1 показывает модель для компьютерного расчета. На рис. 2 наглядно показано, как размывается некий пример изображения, похожего на изображение реальной поверхности, в зависимости от процесса рассеивания, и представлено сравнение исходного (модельного) изображения с изображением, полученным в результате рассеивания.

На рис. 3—6 показана зависимость Т от пространственной частоты для трех окон прозрачности.

Разброс точек на графиках отражает статистическую погрешность расчетов. Нормированный (относительный) контраст и его линейная аппроксимация приведены на рисунках, чтобы выявить наличие или отсутствие закономерной зависимости контраста от пространственной частоты, т.е. от размера деталей. Хотя на первый взгляд

РАЗРЕШЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ВЕНЕРЫ ПРИ СЪЕМКЕ С АЭРОСТАТА

119

* Ненормированный Нормированный -Линейная (ненормированный)

0

500 1000 1500 2000

Пространственная частота, линий/50 мм

2500

Рис. 3. Зависимость относительного контраста от пространственной частоты для окна 1.08 мкм. Ненормированный Нормированный

Линейная (ненормированный)

1.4

0

2500

500 1000 1500 2000

Пространственная частота, линий/50 мм

Рис. 4. Зависимость относительного контраста от пространственной частоты для окна 0.85 мкм.

Ненормированный Нормированный

Линейная (ненормированный)

1.6

500 1000 1500 2000

Пространственная частота, линий/50 мм

2500

Рис. 5. Зависимость относительного контраста от пространственной частоты для окна 0.65 мкм.

0

120

1.2

1.0

н °.8 с а

£ 0.6

о Ко

0.4

0.2

ЭКОНОМОВ

Ненормированный Нормированный

_I_

500 1000 1500 2000 2500 3000 Пространственная частота, линий/50 мм

3500

Рис. 6. Зависимость относительного контраста от пространственной частоты для окна 0.65 мкм, 16 км.

0

кажется, что контраст падает, прежде всего, для мелких деталей, однако расчеты не подтверждают это интуитивное представление. Объяснение этому то же, что и объяснение, почему солнце за облаками имеет резкий край, хотя в результате рассеяния яркость снижается в миллионы раз: в процессе рэлеевского рассеивания нет характерного размера, сравнение с которым могло бы объяснить такую зависимость.

ВЫВОДЫ

1. Ночная съемка в окне 1.08 мкм практически не снижает контраст при пространственной частоте до 2000, а ночная съемка в окне 0.65 мкм значительно снижает контраст. Съемка при 0.85 мкм занимает промежуточное положение. Количественные оценки такого рода получены впервые, что объясняется очень большим объемом машинного времени, необходимого для их получения, однако бурный рост производительности ЭВМ сделает такой подход в будущем все более перспективным.

2. Основной фактор, который влияет на деградацию изображения, — это оптическая толща рассеивающего слоя, в то время как пространственная частота объекта в пределах 10—2000 слабо влияет на деградацию, этот заранее не очевидный факт получен в результате прямых расчетов.

3. В отличие от работы Мороза использованная методика является универсальной и не ограниченной конкретными параметрами акта рассеяния.

4. Также в отличие от работы Мороза окно 0.65 мкм представляется пригодным для съемки,

что важно в связи с максимальной чувствительностью стандартных кремниевых фотоприемников на этой длине волны.

5. В дальнейшем предполагается провести аналогичные расчеты для дневной съемки.

6. При обработке результатов натурной съемки также могут применяться специальные программы повышения резкости и выделения деталей. Эффективность таких программ может проверяться с помощью метода, описанного в данной статье.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Афанасенко Т.С., Родин А.В. Интерференция спектральных линий в тепловом излучении нижней атмосферы // Письма в Астрон. журн. 2007. Т. 33. № 3. С . 233-240. Basilevsky A.T., Raitala J. Morphology of selected novae (astra) from the analysis of Magellan images at Vfenus // Planet. and Space Sci. 2002. V. 50. № 1. P. 21-39. Ekonomov A.P., Moshkin B.E., Golovin Yu.M., Parfentiev N.A., Sanko N.F. Spectrophotometric experiments on descent probes "Vfenera-11" and "Vkn-era-12." 1. Methods, results and a tentative interpretation // Kosmich. Issled. 1979. V. 17. P. 714-726. MarovM.Y., Avduevsky V.S., Borodin N.F., EkonomovA.P., Kerzhanovich V.V., Lysov V.P., Moshkin B.Y., Rozh-destvensky M.K., Ryabov O.L. Preliminary results on the Venus atmosphere from the Venera 8 descent module // Icarus. 1973. V. 20. P. 407-421. Moroz V.I., Ekonomov A.P., Moshkin B.E. Solar and thermal radiation in the Vfenus atmosphere // The Vfenus International Reference Atmosphere. COSPAR Report. 1986. JPL-D-2216. Chapter VI. P. 6-1-6-39. Moroz V.I. Estimates of visibility of the surface of Vfenus from decent probes and balloons // Pl

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком