Анализ и синтез космических систем мониторинга различных

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
“Утверждаю”
Заведующий кафедрой
профессор
КАФЕДРА:
“Системы, устройства и методы
геокосмической физики”
Т.В. КОНДРАНИН
“____” ______________
г.
ПРОГРАММА
годового базового курса лекций для студентов 5-го курса на тему:
“Анализ и синтез космических систем мониторинга различных спектральных
диапазонов”
“СОГЛАСОВАНО”
Зам. зав. кафедрой
к.ф-м.н.
О.Ю. КАЗАНЦЕВ
“____” ______________
г.
Программу составил
с.н.с., д.т.н.
В.И.БОБЫЛЁВ
“____” ______________
Москва,
г.
г.
Цели лекционного курса “Анализ и синтез космических систем
мониторинга различных спектральных диапазонов” состоят в том, чтобы по
окончании курса и выполнения домашнего задания студент освоил:
- методику описания последовательности основных преобразований и искажений,
которым подвергается входное воздействие при прохождении его по элементам
сквозного информационного оптико-электронного тракта;
- приемы прикладного Фурье-анализа и теории линейных операторов и умел их
практически использовать для расчета характеристик элементов оптикоэлектронного тракта;
- современные методы и экспериментальные результаты, позволяющие корректно
описывать пространственно-энергетические характеристики фотоприемника с
дискретной пространственно-регулярной структурой и зрительного анализатора;
- методы расчета пороговых частотно-энергетических характеристик оптикоэлектронного тракта применительно к различным критериям дешифрирования
стандартных тест-объектов;
- приемы энергетического описания информационных трактов различных
оптических спектральных диапазонов;
- практическую методику оценки частотной характеристики тракта;
- методику апостериорной оценки показателя качества цифровых изображений,
формируемых оптико-электронными трактами систем мониторинга.
1.
2.
3.
4.
5.
Содержание курса
“Анализ и синтез космических систем мониторинга различных
спектральных диапазонов”
Введение. Предмет, цели и задачи курса. Назначение, классификация и
состав космических информационных систем мониторинга (наблюдения).
Особенности космического наблюдения.
Линейные системы. Основные операторы теории линейной фильтрации.
Апертурная функция, переходная характеристика, интеграл свертки.
Элементы прикладного Фурье-анализа. Оптическая передаточная функция.
Функция передачи модуляции, частотно-контрастная характеристика
(ЧКХ). Функция передачи фазы.
Случайные поля. Статистическое описание сигналов и шумов в системах
наблюдения. Моменты, дисперсия. Функция плотности вероятности.
Корреляционная функция. Фурье-спектр случайного однородного поля.
Преобразование корреляционных функций и спектральных плотностей
элементами тракта. Аналог центральной предельной теоремы для
многозвенной системы. Модели функций плотности вероятности,
корреляционных функций и спектров в системах космического наблюдения.
Функциональная схема информационного оптико-электронного тракта.
Цифровые изображения. Математическая модель процесса формирования
цифровых изображений. Сквозной информационный тракт.
Частотный анализ уравнений математической модели процесса
формирования цифровых изображений. Анализирующая и синтезирующая
дискретизации. Теорема Котельникова. Мультиплицированный спектр.
Псевдочастоты. Искажения первого и второго рода. Частота Найквиста.
Методы устранения искажений второго рода. Оптимальный фильтр.
6. Минимальный радиус корреляции в выходном сигнале многоэлементного
фотоприемника, микромасштаб изображений. Методика оценки искажений
первого рода. Результаты оценок потенциального уровня искажений
первого рода. Требования к частоте дискретизации.
7. Проведение с участием студентов психофизического эксперимента по
оценке частотно-контрастной характеристики зрительного анализатора
оператора-дешифровщика.
8. Способ оценки ЧКХ бортовой части оптико-электронного тракта (ОЭТ) по
переходной характеристике и по обобщенной пограничной кривой.
Проведение лабораторной работы по практической оценке ЧКХ бортовой
части ОЭТ по реальным цифровым изображениям.
9. Меры качества изображений, формируемых космическими системами
наблюдения. Требования к показателям качества с позиций системного
анализа сложных систем. Критерии Джонсона. Уровни идентификации
простых объектов наблюдения. Пиксел изображения. Линейное разрешений
на местности. Тест-объект – стандартная прямоугольная трехшпальная
мира.
10. Принцип расчета величины линейного разрешения на местности. Сквозное
частотно-энергетическое уравнение. Сквозная частотно-энергетическая
характеристика. Функция Хевисайда. Отношение сигнала к шуму на
нулевой пространственной частоте. Суммирующее свойство зрительного
анализатора.
11. Психофизический эксперимент с участием студентов по определению
порогового эффективного значения отношения сигнала к шуму в
изображении шпалы тест-объекта.
12. Формула Кольтмана. Новая запись сквозного частотно-энергетического
уравнения. Графическая интерпретация решения уравнения.
13. ЧКХ турбулентной атмосферы. Экспериментальные данные Хафнагеля.
Формула для расчета. ЧКХ дифракционно-ограниченной оптической
системы. Виды аббераций. Абберационная ЧКХ оптической системы.
Оптические схемы космических телескопов (объективов).
14. Виды фотоприемников различных спектральных диапазонов. Режим
временной задержки с накоплением. ЧКХ фотоприемников. Собственный и
интегральный шум элемента фотоприемника. Методика оценки
собственного шума фотоприемника. Коэффициент преобразования.
Зарядовая ёмкость элемента. Квантовый выход элемента фотоприемника.
Рассмотрение соответствующих методик оценки основных характеристик
фотоприемника.
15. Методика оценки ЧКХ звена анализирующей дискретизации. ЧКХ
визуализатора.
16. Образование яркостного изображения при наблюдении из космоса в
различных диапазонах спектра. Поглощение и рассеяние света в атмосфере.
Закон Бугера. Дымка. Рассеяние света дымкой. Метеорологическая
дальность видимости. Оптическая толща атмосферы. Расчет наблюдаемой
яркости.
17. Спектральные отражательные характеристики земных фонов и объектов в
различных спектральных диапазонах. Растительность. Почва. Вода. Снег.
Облака. Альбедо фонов.
18. Поле скорости бега изображения в картинной плоскости. Смаз
изображения.
Влияние
стабилизационных,
ориентационных
и
вибрационных характеристик платформы на уровень смаза. ЧКХ смаза.
Оптимальное время экспозиции.
19. Энергетический расчет оптико-электронного тракта. Освещенность
фотоприемника от различных компонент фоно-целевой обстановки для
различных диапазонов спектра. Отношение сигнала к шуму на нулевой
пространственной частоте.
20. Аналого-цифровое преобразование изображений в системах наблюдения.
Шум квантования. Зрительное восприятие шума квантования. Кодирование
информации с целью сокращения избыточности с использованием Вейвлетпреобразований. Помехоустойчивое кодирование.
21. Цифровая обработка изображений. Улучшение и реставрация изображений.
Видоизменение гистограммы. Подавление шумов. Подчеркивание границ.
ОПФ цифрового фильтра.
22. Методы визуализации изображений. Фоторегистрирующие устройства.
Лазерный и светодиодный фоторегистраторы. Полутоновые дисплеи.
23. Показатель информационных возможностей систем мониторинга. Методы
оценки показателя информационных возможностей. Оперативность,
производительность,
периодичность.
Метод
статистического
моделирования – метод Монте-Карло. Баллистическая структура
орбитальной группировки, параметры орбит космических систем
наблюдения. Солнечно-синхронная орбита. Наземная структура системы
приема информации. Пункты закладки программ на съемку.
24. Перспективы развития систем мониторинга. Гиперспектрометры.
Коллимационная схема. Спектроделительные устройства: сложная призма,
дифракционная решетка. Принципы обработки гиперспектральных данных.
Принципы расчета энергетических возможностей. Спектральное и
пространственное разрешения. Задачи, решаемые с использованием
гиперспектральной съемки.
Домашнее задание
Оценка величины линейного разрешения на местности оптико-электронного
тракта в функции различных вариантов фоно-целевой обстановки.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Аванесов
Г.А.
Оперативные
средства
получения
космической
видеоинформации оптического диапазона / Космические исследования земных
ресурсов. - М.: Наука, 1975. с. 24-34.
2. Барбе Дж. Приборы с зарядовой связью для формирования сигналов
изображения. - ТИИЭР, 1975, т. 63, N1, с.45.
3. Игнатьев Н.К. Дискретизация и её приложения. - М.: Связь, 1980. - 262с.
128. Компьютеры в оптических исследованиях: Пер. с англ. / Под ред. Фридена
Б. - М.: Мир, 1983. - 485с.
4. Кондратьев К.Я. и др. Влияние атмосферы на исследования природных
ресурсов из космоса. - М.: Машиностроение, 1985. - 271с.
5. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике: Пер. с англ. - М.: Сов. радио,
1967. - 300с.
6. Криксунов Е.И. Справочник по инфракрасной технике. - М.: Сов. радио,1978. 400с.
7. Кринов Е.Л. Спектральная отражательная способность природных
образований. - М.: Изд-во АН СССР, 1947. -138с.
8. Кронберг П. Дистанционное изучение Земли. Основы и методы
дистанционных исследований в геологии. -М.: Мир, 1988. - 113с.
9. Ллойд Дж. Системы тепловидения: Пер. с англ. -М.: Мир, 1978. - 414с.
10. Матвеев А.Н. Оптика. - М.: Высшая школа, 1985. - 351с.
11. Михельсон Н.Н. Оптические телескопы. - М.: Наука,1976. - 510с.
12. Мосягин Г.М. и др. Теория оптико-электронных систем. - М.:
Машиностроение, 1990. - 431с.
13. Носов Ю.Р., Шилин В.А. Основы физики приборов с зарядовой связью. - М.:
Наука, 1986. - 318с.
14. Полупроводниковые формирователи сигналов изображения: Сб. статей / Пер.
с англ. - Под ред. Р.А. Суриса. - М.: Мир, 1979. - 573с.
15. Пресс Ф.П. Формирователи видеосигнала на приборах с зарядовой связью. М.: Радио и связь, 1981. - 136с.
16. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. В двух книгах. Книга 1: Пер. с
англ. - М.: Мир, 1982. - 307с.
17. Савиных В.П., Соломатин В.А. Оптико-электронные системы
дистанционного зондирования. - М.: Недра, 1995. - 314с.
18. Справочник по инфракрасной технике, т 1. / Под ред. У Волф. -М.: Мир,
1998. - 604с.
19. Справочник по инфракрасной технике, т 2. / Под ред. У Волф. -М.: Мир,
1998. - 347с.
20. Скоков И.В. Оптические спектральные приборы. - М.: Машиностроение,
1984. - 238с.
21. Фотоприемники видимого и ИК диапазонов: Пер. с англ. / Под ред. Киеса Р.
Дж. - М.: Радио и связь, 1985. - 328с.
22. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. - М.:
Машиностроение, 1989. - 360с.