научная статья по теме РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ФОТОСПЕКТРАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НА МКС Космические исследования

Текст научной статьи на тему «РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ФОТОСПЕКТРАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НА МКС»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2014, № 6, с. 27-39

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ФОТОСПЕКТРАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НА МКС

© 2014 г. Б. И. Беляев1, М. Ю. Беляев2, Л. В. Десинов3, Л. В. Катковский1*, Ю. А. Крот1, Э. Э. Сармин2

Научно-исследовательский институт прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко БГУ, Минск, Беларусь 2ОАО "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева", Королев, Московской обл.

3Институт географии РАН, Москва *Е-таИ: info@remsens.by Поступила в редакцию 25.12.2013 г.

Описаны методы и результаты предполетных спектрально-энергетических калибровок фотоспектральной системы. По результатам анализа измерений из космоса установлена стабильность калибровочных характеристик. Коррекция взаимной ориентации полей зрения модуля спектрорадиомет-ра и модуля регистрации изображений выполнена с использованием данных специального эксперимента по сканированию Лунного диска. На основе анализа измеренных из космоса спектров зарегистрированы сдвиги максимума спектральной яркости излучения по отношению к максимуму солнечной постоянной, обусловленные влиянием атмосферы на спектры отражения и рассеяния солнечного излучения различными природными поверхностями, полученные в результате космического и наземного спектрометрирования в видимом и ближнем ИК-диапазонах длин волн. Результаты хорошо согласуются с теоретическими расчетами яркости.

Ключевые слова: дистанционное зондирование, спектры отражения и рассеяния, максимум спектральной яркости, спектральный анализ, изображение, пространственно-спектральная декомпозиция, атмосферная коррекция, предварительная и тематическая обработка

Б01: 10.7868/80205961414060013

ВВЕДЕНИЕ

Системы и методы оптического дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) широко используются в качестве средств контроля состояния природных объектов и происходящих с ними изменений, например, при оценке последствий стихийных бедствий (лесных пожаров, землетрясений, наводнений), при изучении состояния растительных сообществ, оценке урожая с.-х. культур и пр. Основной тенденцией развития многоспектральных систем дистанционного зондирования (ДЗ) в последнее время является увеличение числа спектральных каналов получения изображений и их пространственного разрешения. Как следствие, разработка и использование видеоспектрометров ведет к удорожанию съемочных систем, как правило, к избыточности получаемой информации, возникают проблемы с пропускной способностью каналов передачи информации. В то же время для решения каждой конкретной тематической задачи необходимо относительно небольшое число целенаправленно подобранных каналов (Беляев и др., 2011а; 2007; ТЬепкаЪаП й а1., 2000). Одним из вариантов съемочной аппаратуры, позволяющей при относительно небольшом объеме дан-

ных получать необходимую информацию для тематической классификации объектов, является сопряжение спектрорадиометра и фотокамеры, как это реализовано в фотоспектральной системе (ФСС) (Беляев и др., 2011а; 20116; Беляев и др., 2010), которая разработана и создана в НИИ прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко Белорусского государственного университета по заказу РКК "Энергия" и Института географии РАН. В июле 2010 г. система была доставлена на борт Российского сегмента (РС) Международной космической станции (МКС) и используется с того времени в космическом эксперименте "Ураган" (Экспериментальная отработка наземно-косми-ческой системы мониторинга и прогноза развития природных и техногенных катастроф).

ФСС конструктивно выполнена в виде компактного переносного моноблока (рис. 1), который включает в себя модуль регистрации изображений (МРИ), модуль спектрорадиометра (МС), модуль электроники (МЭ), кронштейн установочный (КУ), и предназначена для съемки цветных изображений и спектров высокого разрешения, пространственно привязанных к изображениям. Разрешающая способность сенсора МРИ

>

Рис. 1. Фотоспектральная система: 1 — модуль регистрации изображений (МРИ); 2 — модуль спектрора-диометра (МС); 3 — планшетный компьютер модуля электроники; 4 — объектив МРИ; 5 — объектив МС.

4256 х 2832 элементов. При съемке с борта МКС (высота орбиты около 400 км) поле зрения МРИ составляет 35 х 25 км, и пространственное разрешение — не хуже 10 м. МРИ регистрирует изображения в формате RAW (с компрессией данных без потерь) в трех цветовых каналах R, G, B с 12-битным радиометрическим разрешением. МС регистрирует спектры отраженного излучения в единицах спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ). Линейный ПЗС-приемник излучения МС содержит 3648 элементов, что обеспечивает шаг дискретизации спектра 0.2 нм. Пересчет относительных цифровых значений спектра в абсолютные единицы СПЭЯ происходит на этапе первичной обработки данных с помощью

калибровочных таблиц, полученных при проведении предполетных лабораторных спектрально-энергетических калибровок.

ФСС разработана для пилотируемой космонавтики (может также использоваться для авиационных съемок), управляется оператором, позволяет получать данные под различными углами к надиру, отслеживать объект (удерживать в поле зрения) при движении носителя и снимать угловые зависимости (индикатрису) рассеянного объектом излучения, обеспечивает измерения и экспресс-анализ спектральных характеристик разнообразных природных и искусственных объектов и сред.

НАЗЕМНАЯ КАЛИБРОВКА ФСС

Спектрально-энергетические калибровки ФСС проведены перед доставкой системы на РС МКС на метрологическом комплексе "Камелия-М", аттестованном в РБ в качестве калибровочной лаборатории (Беляев, Катковский, 2006).

При калибровках были определены следующие характеристики ФСС: спектральный диапазон МС ФСС (350—1050 нм); спектральное разрешение МС ФСС (не хуже 3 нм); энергетические характеристики МС ФСС (пороговая СПЭЯ - 5 х 10-5 Вт/см2 мкм ср на длине волны 610 нм, верхний предел СПЭЯ — 7 х 10—3 Вт/см2 мкм ср на 610 нм при экспозиции 300 мс); абсолютная спектральная чувствительность МС ФСС; угловая зависимость чувствительности МС в плоскости входной щели (сагиттальной) — рис. 2а; относительная спектральная чувствительность Я, G, В-каналов МРИ ФСС — рис. 2б; углы поля зрения МС ФСС (составляют 0.034° х 1.0°, что соответствует спектрометрируе-мому участку земной поверхности приблизительно 0.05 х 6 км) и взаимная ориентация полей зрения МС и МРИ ФСС.

С

< 3000

5 2500

о

й 2000 ч

и 1500 и

" 1000 л

д

g 500

о

£

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Угол поворота, град

B

G

R

0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 Длина волны, мкм

Рис. 2. а — Угловая зависимость чувствительности МС в сагиттальной плоскости; б — относительные спектральные чувствительности каналов МРИ.

а

Определение рабочего спектрального диапазона и спектрального разрешения МС проводилось с помощью монохроматического осветителя комплекса "Камелия-М", создающего параллельный пучок монохроматического излучения на любой из длин волн диапазона чувствительности МС.

В результате калибровок по длинам волн установлено, что зависимость между номерами каналов приемника МС и длинами волн монохрома-тора близка к линейной функции, но на границах спектрального диапазона наблюдаются отклонения измеренных значений от линейности максимум около десяти каналов ПЗС-линейки, что соответствует 2 нм с учетом шага дискретизации спектра. Для повышения точности "привязки" номеров каналов и длин волн на краях спектрального диапазона МС ФСС использовалась аппроксимация функции кубическими сплайнами.

При определении абсолютной спектральной чувствительности МС измерялись спектры эталонного источника диффузного излучения (фотометрической сферы) при различных уровнях ее яркости и для разных времен экспозиции спек-трорадиометра. В результате анализа полученных данных установлено, что зависимость величины выходного сигнала от времени накопления при низком сигнале и в области насыщения отклоняется от линейной. Установлено, что линейная функция вида y = kx + b аппроксимирует наилучшим образом чувствительность в середине диапазона, а на краях диапазона используются различные функции вида y = kx. По данным калибровки вычислена таблица коэффициентов линейных аппроксимирующих функций кривой чувствительности для пересчета зарегистрированных спектров МС в абсолютные единицы СПЭЯ для каждого времени накопления сигнала из заданного набора.

АНАЛИЗ СТАБИЛЬНОСТИ КАЛИБРОВОК ФСС ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СЪЕМОК С БОРТА МКС

После получения первых данных с борта МКС был проведен анализ стабильности наземных калибровок, поскольку изменения параметров калибровок могут иметь место по причине вибраций (в частности, во время доставки прибора на МКС, а также во время эксплуатации на борту), изменений температуры и давления внутри прибора. Такая ситуация присуща всем спектральным приборам, эксплуатируемым на борту носителей. При обработке таких спектральных данных используются соответствующие методы коррекции (Gao, 2002).

Поскольку в составе ФСС не предусмотрено оборудование контроля калибровки оптического

тракта прибора, анализ стабильности параметров наземных калибровок ФСС проводился путем анализа результатов измерений (спектров и изображений), полученных в ходе съемок Земли и специальных экспериментов.

В ходе анализа данных ФСС проверялись состояние калибровки по длинам волн; состояние радиометрической калибровки МС; юстировка полей зрения модулей МС и МРИ.

Проверку калибровки по длинам волн можно провести, используя данные о положениях известных линий и полос поглощения в измеренном спектре. На рис. 3 представлен спектр отражения песчаной поверхности, зарегистрированный спек-трорадиометром МС вблизи поверхности Земли, с указанными линиями Фраунгофера (поглощение химическими элементами в атмосфере Солнца в диапазоне 390—520 нм) и теллурическими линиями и полосами, обусловленными поглощением компонентами атмосферы (преимущественно озоном, парами воды и молекулярным кислородом).

На кривой СПЭЯ, отраженной песчаной поверхностью радиации (рис. 3), отчетливо просматриваются интенсивные полосы поглощения (ПП) атмосферных газов: кислорода О2 (628 и 762 нм), водяного пара Н2О (59

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