Лекция №6 Съемочная аппаратура план съемочная аппаратура Фотографические аппараты

ПЛАН

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 и 2. Наиболее распространенный у нас в стране 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. Аэрофотоаппарат:

Рис. 2. Принципиальная схема аэрофотокамеры:

На рис. 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. 3. Геометрическая схема кадровой съемки

Рис. 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. 4). Многозональные фотоснимки предназначены прежде всего для дешифрирования; для фотограмметрических измерений они применяются реже.

Рис. 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 (на снимке). 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.

В оптико-электронных кадровых камерах изображение регистрируется не фотографическим, а электронным способом. Устройство электронной камеры аналогично фотографической - изображение строится объективом в центральной проекции на плоскости, но вместо кассеты с фотопленкой используется электронная система, преобразующая оптическое изображение в электрические сигналы. Основу телевизионных электронных съемочных камер, которые применялись в начальный период космических исследований, составляет передающая электронно-лучевая трубка. В распространенной трубке видиконе (от лат. Video - смотрю и греч. eikon - изображение) светочувствительный экран изготовлен из полупроводника (фотосопротивления), который превращает оптическое изображение в электрическое, состоящее из положительных зарядов. Изображение последовательно считывается электронным лучом, быстро обегающим заряженный экран. Сформированный видеосигнал передается на наземные станции по радиоканалу.

В цифровой электронной камере, которую все чаще называют цифровой фотокамерой, изображение местности строится на плоской поверхности многоэлементной матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС-матрицы). Геометрические размеры ПЗС-матриц, а следовательно, кадра цифрового снимка, пока невелики - составляют несколько сантиметров.

Достоинства кадровых съемочных камер заключаются в практически мгновенном получении всего снимка в центральной проекции на плоскости, что обеспечивает его высокую геометрическую точность. Стремясь увеличить охват территории, приходится использовать либо широкоформатные камеры, либо широкоугольные объективы. Однако с увеличением угла поля зрения линзового объектива ухудшается равномерность освещения по кадру (которая падает к краям снимка пропорционально cos⁴β), а также снижается разрешающая способность, что отрицательно сказывается на качестве снимка.

Рис. 6. Схема получения фотоснимка при панорамной съемке: 1 - объектив; 2 - экспонирующая щель; 3 - фотопленка

Рис. 7. Принцип сканерной съемки

Рис. 8. Функциональная схема оптико-механического сканера

Важные характеристики сканера - угол сканирования (обзора) и мгновенный (соответствующий одному элементу) угол зрения, которые определяют соответственно ширину полосы съемки и пространственное разрешение на местности. У детальных сканеров угол сканирования уменьшают до ±5°, а у обзорных увеличивают до ±50°. Мгновенный угол зрения устанавливают от секунд до нескольких минут. Чем лучше разрешение сканера и значительнее охват съемкой, тем больший объем информации необходимо передать в единицу времени по радиоканалам, которые должны быть высокоскоростными. При разрешении 100 м и охвате 200 км необходимая скорость передачи информации составляет около 1 Мбит/с (10⁶ бит). Она быстро растет с увеличением разрешения и, например, при повышении разрешения вдвое составляет уже 5 Мбит/с. Спутниковые радиоканалы, которые должны обеспечить передачу этого информационного потока, нередко определяют качество получаемых снимков. Пропускная способность радиоканала зависит, в частности, от диаметра приемной антенны наземного комплекса. Так, например, если при использовании определенных технологий удается достичь скорости потока информации до 10 Мбит/с с помощью приемной антенны с диаметром около 2 м, то при 100 Мбит/с ее диаметр необходимо увеличить до 10 м.

Нередко для передачи больших объемов видеоинформации ее приходится предварительно сжимать в 2 - 3 раза.

В оптико-электронном сканере для регистрации излучения используются приборы с зарядовой связью в виде ПЗС-линейки, которая устанавливается поперек направления движения спутника; изображение местности по строке ПЗС-снимка формируется путем одномоментного проектирования, а вдоль полета - последовательным присоединением строк при прямолинейном движении носителя. У оптико-электронного сканера в отличие от оптико-механического отсутствуют подвижные элементы, которые связаны колеблющимся зеркалом. Он более прост в устройстве и надежен в работе.

Конструкция многозональных сканеров, предназначенных для одновременного получения снимков в нескольких спектральных зонах, дополняется светофильтрами или диспергирующей системой (призмы, дифракционные решетки и т.д.), расщепляющей регистрируемый лучистый поток на спектральные составляющие, которые подаются на различные приемники излучения. Число приемников, их тип (спектральная чувствительность) устанавливаются в соответствии с количеством и шириной спектральных зон, в которых работает многозональный сканер.

В гиперспектральном оптико-электронном сканере, например, видимое, среднее инфракрасное и тепловое излучения регистрируются детекторами трех прямоугольных ПЗС-матриц; широкие стороны матриц реализуют строки снимка, а узкие, расположенные вдоль направления полета, позволяют вести регистрацию излучения в десятках узких (шириною в несколько нанометров) так называемых гиперспектральных зон. Таким образом в гиперспектральном сканере по одному направлению приемной ПЗС-матрицы регистрируются спектральные характеристики местности, по другому - пространственные. Общее число зональных снимков, получаемых гиперспектральным сканером, может достигать нескольких сотен. В совокупности их представляют в виде так называемого гиперспектрального куба.

При тепловой инфракрасной съемке снимки получают с помощью специального сканера (тепловизора) с порогом температурной чувствительности 0,1-0,5 °С, который обязательно должен иметь систему охлаждения приемника.

Для пассивной съемки в микроволновом диапазоне используются микроволновые радиометры, у которых сканирующая поперек движения носителя колеблющаяся антенна размещена в параболическом рефлекторе. Космические микроволновые радиометры позволяют получать радиотепловые снимки пока с невысоким (в несколько километров) пространственным разрешением, которое тем лучше, чем длиннее антенна.

Принцип сканирования может применяться и при активной лазерной съемке с самолета, которую можно выполнять днем и ночью. Монохроматический узкий луч лазера подсветки освещает сканируемую местность и после отражения регистрируется приемником. В результате возможно получить монохроматический снимок в видимом или ближнем инфракрасном диапазоне, на котором выделяются объекты с различным отражением в зоне длины волны лазерного излучения.

Все сканеры поставляют строчные снимки, которые по своим геометрическим свойствам уступают кадровым фотографическим снимкам. Однако по сравнению с фотометрическими многозональными фотокамерами сканирующие спектрорадиометры обеспечивают в 2-3 раза более высокую радиометрическую точность. Для получения детальных космических снимков в сканерах устанавливают длиннофокусные (до 10 м) зеркальные объективы, которые по сравнению с линзовыми имеют меньшие габариты, более высокую разрешающую способность, хотя и небольшой (10-15°) угол поля зрения.