Бортовые спутниковые радиотехнические комплексы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Московский физико-технический институт (государственный университет)»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
_______________Е.В.Глухова
«____» ____________2008 г.
ПРОГРАММА
По курсу: «Бортовые спутниковые комплексы дистанционного зондирования Земли
и планет»
По направлению 010600: «Прикладные математика и физика»
Магистерская программа 010625: «Космические информационные системы. Связь,
навигация и дистанционное зондирование»
Факультет: ФРТК
Кафедра: «Радиотехнические космические системы»
Курс: 4
Семестр: 7,8
Лекции: 66 часа
Практические – нет
Лабораторные занятия – нет
Экзамен – 8 семестр
Зачет с оценкой – 7 семестр
ВСЕГО ЧАСОВ: 66
Программа утверждена на заседании кафедры
«Радиотехнические космические системы»
24 июня 2008 г.
Разработал программу
Доктор технических наук, профессор В.И.Воробьев
Заведующий кафедрой
Доктор технических наук, профессор
________________А.А.Романов
Председатель
Ученого совета ФРТК
Доктор технических наук
________________ С.Н.Гаричев
СОДЕРЖАНИЕ
АННОТАЦИЯ
Курс «Бортовые спутниковые комплексы дистанционного зондирования Земли
(ДЗЗ)» рассчитан на слушателей, имеющих базовую университетскую подготовку по
общей физике, химии и высшей математике. Основное внимание уделено рассмотрению
методов и средств дистанционного зондирования Земли, в частности, применениям
разработанных и созданных информационных технологий, обеспечивающих усвоение
аэрокосмических данных в геоинформационных системах и различных отраслях
народного хозяйства.
РАЗВЕРНУТАЯ ПРОГРАММА ЛЕКЦИЙ (66 час)
Тема 1. Предмет специальности «Бортовые спутниковые комплексы ДЗЗ».
Взаимосвязь с геоинформатикой, геоинформационными системами (ГИС); нормативноправовая база использования космической информации в интересах различных отраслей
народного хозяйства, пространственные информационные системы. Структурные и
функциональные схемы бортовых комплексов ДЗЗ. Анализ
характерных
типов
поверхностей Земли и планет по отечественным и зарубежным снимкам из космоса и с
борта самолета.
Тема 2. Введение в дисциплину. Классификация, преимущества и недостатки
пассивных и активных бортовых оптических и радиотехнических комплексов ДЗЗ.
Оптимизация технических требований в соответствии с областями предпочтительного
использования бортовых систем ДЗЗ посредством выбора длин рабочих волн в широкой
области спектра, начиная от гамма-излучения вплоть до радиоволн. Показатели качества
функционирования систем, тенденции создания многофункциональных надежных
отказо/помехоустойчивых систем на базе их многоспектрального комплексирования.
Тема 3. Основные законы физики и химии, реализуемые в бортовых комплексах
ДЗЗ. Инерциальные системы отсчета. Эффекты спонтанного и комбинационного
рассеяния солнечного и искусственного локационного излучения. Принципы теории
относительности Эйнштейна. Принцип Доплера и его применения в задачах ДЗЗ.
Парадокс гористой местности. Мерцания локационных целей и их статистики.
Гранулярность частично когерентных изображений. Синтез изображений в пространстве
«дальность-доплеровская частота».
Обзорная радиолокация, радиолокаторы бокового обзора с синтезированными
раскрывами, лазерная профилометрия и землеобзор. Синтезирование антенных
раскрывов.
Селекция
движущихся
целей.
Сверхширокополосная
локация
подповерхностных объектов. Методы дистанционного химического спектрального
анализа компонент частично прозрачных атмосферных и водных сред.
Эффекты преодоления светового барьера скорости Вавилова-Черенкова; эффект
частичного увлечения света движущимися средами (эффект Физо), эффект аберрации
скорости света (эффект Брадлея). Новейшие принципы построения и первые
положительные результаты создания дистанционных систем формирования трехмерных
изображений
с
использованием
20-Вт
излучателя
волн
терагерцового
(субмиллиметрового) диапазона.
Тема 4.
Обобщенные структурно-функциональные схемы бортовых
аэрокосмических комплексов ДЗЗ. Моностатические, бистатические (базовые),
многопозиционные измерительные системы; активные и пассивные, запросные и
2
беззапросные, кооперированные и с активными ответами, сканирующие, обзорные и
мозаичные бортовые аэрокосмические комплексы ДЗЗ. Особенности техники СВЧ,
теплового и оптического диапазонов длин волн. Принципы построения и
функционирования лидарных систем, обеспечивающих дистанционный химический
анализ ингредиентов частично прозрачных сред.
Тема 5. Характеристики фотоприемных систем. Преддетекторные частотные
фильтры на несущей частоте: резонаторные, селективно-абсорбционные, дисперсионные,
атомно-флюоресцентные,
поляризационные.
Детекторы
сосредоточенные
и
распределенные, реагирующие на напряженность поля, или поток квантов. Антенные
свойства гетеродинных фотоприемников, квантовых, параметрических усилителей или
преобразователей частоты. Антенные свойства
одномодовых гетеродинных
фотоприемников. Голографический фотоприемник как аналог многомодового
когерентного фотоприемного устройства или приемного устройства с синтезированной
апертурой.
Типы фотоприемников. Коэффициент шума, шумовая температура, шумовая
полоса частот, чувствительность по току, эквивалентная шумовая мощность,
обнаружительная способность. Ограниченность критерия отношения «сигнал-шум».
Понятие режима счета фотонов, Параметры и конструкции охлаждаемых
полупроводниковых ИК-детекторов с примесной или собственной проводимостью.
Стабилизация рабочих характеристик обнаружения лазерных локаторов и систем ДЗЗ с
помощью последетекторных нелинейных видеоусилителей.
Тема 6. Статистические свойства зондирующих сигналов. Основные законы
температурного
излучения.
Физические
принципы
генерации
когерентных
электромагнитных волн. Релятивистское излучение как основа радиотехнических систем
генерации когерентных радиосигналов. Некогерентные и когерентные, однофотонные и
многофотонные процессы взаимодействия света с веществом. Люминесцентные и
лазерные (мазерные) генераторы света. Т-лучи внутри вакуумной трубки лазера на
свободных электронах. Генерация интенсивных пучков терагерцовых волн путем
магнитной группировки свободных электронов в периодические субмиллиметровые цуги
с образованием когерентного синхротронного излучения.
Тема 7. Приемные и передающие антенны. Зоны излучения антенн: формирующая,
ближняя и дальняя. Диаграммы направленностей, к.п.д. антенн. Одномодовые и
многомодовые пучки, угловые поля и расходимости антенн. Числовые апертуры
оптических пучков. Фазовость пучков. Предельные возможности фокусировки пучков в
линейном приближении.
 Принципы Ферма и Аббе. Теорема взаимности. Кратность увеличения. Теорема
Гельмгольца-Лагранжа., связывающая диаметр пучка с его угловой расходимостью.
Квазимонохроматическая и цветная голография. Режим временной задержки и
накопления, ВЗН (TDI – time lelay & integration) как средство повышения
чувствительности некогерентных видеодетекторных систем ДЗЗ/П. Стерео и
поляризационные методы формирования построчных изображений.
Двухпроводные и коаксиальные линии, волноводные тракты. Волоконно-оптические
кабели.
Проблемы транспортировки терагерцовых лучей. Сканеры. Косекансные
антенны. Синтезированные, сверхнаправленные, адаптивные антенны. Методы
гиростабилизации направлений зондирующих пучков и угловых полей приемных
устройств. Схемы и параметры пассивных телевизионных и сканирующих
радиометрических систем ДЗЗ/П. Временная, пространственная и спектральная
разрешающие способности комплексов ДЗЗ/П.
3
Тема 8. Самостоятельное изучение. Понятие квантовой интерференции. «Размеры»
фотона». Когерентные сигналы. Частичная пространственно-временная когерентность.
Объем когерентности. Интерференция с отложенным выбором. Квантовый ластик.
Преодоление величину скорости света в вакууме. Остановка света.
Тема 9. Теория взаимодействий электромагнитных колебаний с веществом.
Температурное излучение черного и реальных тел. Холодные люминесцентное и лазерное
излучения. Статистические характеристики многомерных радио- и оптических сигналов.
Представление сигналов в виде каскадных пуассоновских процессов. Число степеней
свободы и число различимых градаций яркостей отдельных пикселов изображений.
Формирование принимаемых радио- и оптических сигналов и их статистические
свойства. Степени свободы мерцающих сигналов и соответствующие методы их приема.
Антенная теорема Сигмена для одномодового гетеродинного приема. Многомодовый
гетеродинный голографический прием. Полуклассические формулы взаимодействия света
с веществом Лео Манделя.
Когерентная и некогерентная обработки сигналов. Гранулярность (спеклструктура) изображений при активных узкополосных методах обзора. Демонстрация
лазерных экспериментов по гранулярности когерентных оптических изображений.
Тема
10.
Рабочие
характеристики
гетеродинных
и
энергетических
фотоприемников. Параметры счетчиков фотонов. Шумы в фотоприемниках. Формулы
Шоттки, Найквиста, Буржесса (центральные моменты суммы случайного количества
случайных видеооткликов). Возможности депрессии дробового и квантового шумов при
фотоприеме. Обобщенное отношение «сигнал – шум» при расположении источников
шумов в разных точках фотоприемного устройства.
Тема 11. Самостоятельное изучение. Моделирование, методы создания и свойства
метаматериалов с отрицательными коэффициентами преломления. Парадоксы
распространения
«леворуких»
электромагнитных
волн.
Экспериментальные
подтверждения существования леворуких материалов. Преодоление дифракционного
предела разрешения. Концепция суперлинзы Веселаго. Перспективы получения
сверхразрешения в дальней зоне излучающих антенн.
Тема 12. Влияние флуктуаций параметров сред на распространение света. Фазовая
и групповая скорости распространения электромагнитных волн. Нормальная и аномальная
дисперсии коэффициента преломления. Спонтанное и стимулированное излучения.
Распространение мощных пучков и. самовоздействия света. Явление обращения
волнового фронта как результат вынужденного рассеяния. Рефракция и турбулентность.
Области изопланатизма сред распространения. Законы распространения
электромагнитных волн разных частот через тропосферу, ионосферу, облачные,
растительные, почвенные покровы, толщу океана. Математическое моделирование
многоярусной облачности и трехмерных ансамблей малоразмерных мешающих
отражателей.
Тема 13. Самостоятельное изучение. Депрессия дробового шума. Перспективы
получения субпуассоновских статистик фотонных отсчетов. Сжатый свет.
Тема 14. Спектральные, временные (инерционные) и текстурные параметры
типичных природных и искусственных объектов. Выбор количества, ортогонального
взаимного расположения и полуширин спектральных диапазонов аэрокосмических
радиометров для ДЗЗ/П. Общие требования к перспективным системам ДЗЗ с цифровой
4
обработкой данных. Принципы машинной дешифрации изображений и критерии
оптимального выбора уровня автоматизации обработки видеоданных.
Тема 15. Самостоятельное изучение. Робастное оценивание – преимущества и
недостатки. Обработка пространственно-временных сигналов с полимодальными
статистиками.
Тема 16. Статистики принимаемых сигналов. Тепловые объекты в естественном
блеске в ИК-спектрах. Алгоритмы расчета информативных признаков «тепловых»
образов. Излучательные температурные способности реальных тел: металлов,
диэлектриков, полупроводников и газов. Диаграммы светимостей. Закон Ламберта.
Параметры излучения объемных ансамблей тепловых излучателей.
Физические законы отражения электромагнитных волн телами. Эквивалентная
площадь рассеяния и альбедо тел. Соотношения индикатрис и собственного блеска тел, их
связи с размерами, электро/теплопроводностью и оптической прозрачностью этих тел.
Дифракция на черных телах и принцип Бабине.
Тема 17. Обобщенный образ. Структура банков образов. Элементы теории
распознавания образов с
предпрограммированием структуры изображений или с
обучением. Статистическая разделимость и отбор признаков (кортежей атрибутов).
Принципы статистической многоспектральной обработки видеоданных. Прямая и
косвенная идентификация объектов. Дискриминантные функции. Оценивание
классификатора: вероятности ошибок. Кластерный анализ. Неконтролируемый априорно
анализ.
Тема 18. Потенциальная, предельная, гарантированная и реальная точности
измерений. Классификация источников и типов погрешностей в измерительных системах.
Флуктуационные и динамические компоненты погрешностей. Прохождение сигналов и
помех через типовые линейные и нелинейные устройства.
Тема 19. Элементы статистической теории наблюдений: принятие решений,
оценивание значений параметров, постоянных или закономерно изменяющихся на
интервале наблюдения, в том числе, оценивание по критерию согласия хи-квадрат, по
методу Гаусса наименьших квадратов при неравноточных наблюдениях, методу
максимального правдоподобия Фишера и максимуму апостериорной вероятности.
Понятие сверхразрешения. Введение в линейную динамическую фильтрацию в
пространстве временных состояний и нелинейную фильтрацию Долби. Проблемы
обработки неравноточных видеоданных разного качества, полученных в разное время с
разными разрешениями.
Рекуррентные методы представления оценок. Измеряемые и мешающие параметры.
Относительность ценности критериев несмещенности и состоятельности оценок.
Принципы конструирования цифровых фильтров. Априорная неопределенность и
адаптация. Обработка сигналов с полимодальными распределениями плотностей
вероятностей. Помехоустойчивое нелинейное оценивание.
Тема 20. Спектральные, временные (инерционные), макро/мезо и тестурные
пространственные параметры типичных природных и искусственных объектов.
Принципы
статистической
обработки
много-спектральных изображений.
Использование псевдоцветов. Основные операции по улучшению пространственноамплитудного и временного разрешений. Выбор количества, расположения и полуширин
спектральных диапазонов аэрокосмических радиометров. Оптимизация режимов
пространственной и амплитудной дискретизации в соответствии с теоремами
5
Котельникова-Шеннона и Найквиста. Противошумовая и тематическая коррекции шкал
разрядности АЦП.
Расчет чисел степеней свободы пиксельных сигналов, количеств различимых
градаций яркостей и количеств пикселов обработанных изображений. Прямая и косвенная
идентификация объектов. Принципы картографирования и ортоскопического
представления снимков.
Тема 21. Структурная и функциональные схемы, технические параметры
российских радиометров Алмаз, МСУ-СК, МСУ-М, Агроресурс. Решения задач
землепользования, атмосферного зондирования, идентификации зерновых культур,
картографирования лесов, геологических образований, снежного и ледяного покровов,
температурных вариаций водоемов.
Тема 22.
Структурные и функциональные схемы, технические параметры
американских радиометров Landsat TM, IRS, SPOT, Radarsat.
Тема 23. Мировые тенденции развития аэрокосмических систем ДЗЗ и разведки.
ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
У.Г. Рис. Основы дистанционного зондирования. М.: Техносфера, 2006. –336 с.
Дистанционное зондирование: количественный анализ / Ш.М. Дейвис,
Д.А.
Ландгребе, Т.Л. Филлипс и др. Под ред. Ф. Свейна и Ш. Дейвис. Пер. с англ. – М.:
Недра, 1983. –415 с.
Аблеков В.К., Колядин С.А., Фролов А.В. Высокоразрешающие оптические системы.
М.: Машиностроение, 1985. –176 с.
Воробьев В.И. Оптическая локация для радиоинженеров. – М.: Радио и связь. 1983.
176 с.
Радиолокационные станции воздушной разведки / Под ред. Г.С. Кондратенкова. М.:
Воениздат, 1983. –152 с.
Радиолокационные станции бокового обзора. М.: Сов. Радио, 1970. –300 с.
Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. – М.:
Логос, 2004. –444 с.
Госсорг Ж. Инфракрасная термография / Пер. с фр. Под ред. Л.Н. Курбатова – М.:
Мир, 1988. –400 с.
Прикладная оптика атмосферы в телевидении. – Казань: Новое знание, 2000. –357 с.
Шкловский И.С. Проблемы современной астрофизики. – М.: Наука, ФМ, 1982. –234 с.
Ефремов Ю.И. В глубины Вселенной. – 3-е изд. Перераб. и дополн. – М.: Наука, ФМ,
1984. – 224 с.
Узилевский В.А. Передача, обработка и воспроизведение цветных изображений. – М.:
Радио и связь, 1982. –216 с.
Воробьев В.И. Моделирование, методы создания и свойства метаматериалов с
отрицательными коэффициентами преломления. – М.: «Электромагнитные волны и
электронные системы» , т.12, №7, 2007, с.63 – 69.
6