Устройство и летные испытания научной аппаратуры «Видеоспектральная система» на борту Российского сегмента МКС

Научная аппаратура «Видеоспектральная система» (НА ВСС) предназначена для проведения научно-прикладных исследований в космическом эксперименте (КЭ) «Экспериментальная отработка наземно-космической системы мониторинга и прогноза развития природных и техногенных катастроф» («Ураган») с борта Российского сегмента Международной космической станции (РС МКС). Ее использование на борту РС МКС позволит на новом качественном уровне проводить КЭ «Ураган» и решать задачи эксперимента [1–5].

КЭ «Ураган» начал проводиться на борту РС МКС с 2000 г. Его сеансы выполняются по указаниям постановщика эксперимента, получаемым из Центра управления полетами. Кроме того, члены экипажа могут самостоятельно рассчитывать время начала сеанса наблюдения с помощью программы баллистиконавигационного обеспечения «Сигма» [2].

В ходе выполнения эксперимента была выявлена необходимость модернизации используемой фотографической аппаратуры, которая обеспечила бы повышение информативности и качества интерпретации получаемых данных. Созданная с этой целью НА «Фотоспектральная система» (ФСС) в 2010 г. была доставлена на борт РС МКС. В течение последних лет с ФСС проведена серия экспериментов по регистрации спектров и изображений подстилающих поверхностей и получен ряд новых результатов [6–9].

Дальнейшее развитие системы мониторинга предполагает использование НА ВСС в КЭ «Ураган» для:

• •    отработки методов визуальных наблюдений, ручной съемки и автоматической регистрации на борту МКС цветных фотоизображений высокого пространственного разрешения и однозначно «привязанных» к ним спектров высокого спектрального разрешения видимого и ближнего инфракрасного диапазонов нескольких пространственных зон в каждом изображении;

• •    отработки методов расчета гиперспектральных изображений (по полученным изображениям и спектрам пространственных зон) и их использования в задачах классификации и дешифрирования параметров объектов и признаков катастрофических явлений;

• •    усовершенствования методов распознавания и классификации объектов с использованием спектров и текстуры изображения подстилающих поверхностей.

Система ВСС является логическим развитием работающей на РС МКС фотоспек-тральной системы. В обеих системах реализуется покадровая съемка, когда каждый кадр изображения сопровождается регистрацией сопутствующих спектров. При трассовой съемке (смена сцены за счет движения носителя) ФСС позволяет получать три спектра на изображение, соответствующих такому же количеству объектов (локальных зон подстилающей поверхности), расположенных вдоль направления полета. Принципиальное отличие информации, получаемой ВСС, состоит в том, что классификация объектов земной поверхности (определение их параметров) может вестись с использованием большого числа (нескольких сотен) спектров. Использование данных ВСС в сравнении с изображениями в трех каналах позволяет применять методы мультиспектрального анализа, что не только значительно повышает достоверность классификации объектов, но и предоставляет ряд других преимуществ, среди которых можно отметить следующие:

• •    повышается точность определения параметров объектов;

• •    при решении задач определения параметров объектов есть возможность пользоваться эмпирически установленными корреляционными (регрессионными) зависимостями параметров объектов от отражательных характеристик в отдельных узких спектральных каналах.

ВСС снабжена кронштейном, позволяющим устанавливать ее на иллюминатор и измерять углы отклонения оптической оси прибора, при этом ВСС обладает рядом преимуществ перед видеоспектрометрами:

• •    в несколько раз меньшие потоки (объемы) передаваемой и обрабатываемой информации;

• •    значительно более простая процедура предварительной обработки (геометрическая коррекция, мозаицирование и т. п.), поскольку спектры однозначно «привязаны» к RGB -изображению благодаря пространственновременной синхронизации модуля изображения и матричных полихроматоров;

• •    съемка оператором с кронштейна позволяет производить съемку и спектрометрирова-ние объектов исследования по трассе полета, в т. ч. находящихся вдали от надирного направления, в зоне подстилающей поверхности при углах визирования ВСС ±30° от надира.

• •    возможность проводить измерения индикатрис отражения (рассеяния) объектов для каждого спектрального канала. Эта возможность реализуется в режиме измерений путем непрерывной (покадровой) съемки с удержанием оператором объекта (фиксированной зоны на подстилающей поверхности) в центре поля зрения системы. При этом происходит регистрация изображений и спектров объекта для различных углов рассеяния солнечного излучения за счет движения станции

по орбите. Эти измерения представляют наибольший интерес для решения такой задачи, как съемка (диагностика) разливов нефти в море, пожаров, извержений вулканов, волновых движений (возмущений) в океане. В последнем случае индикатрисные измерения позволяют определять спектр наклонов водной поверхности и тонкую структуру волновых движений в океане. Индикатрисные измерения нефтяных пленок дают возможность более надежной их идентификации, а в случае дымов и аэрозольных выбросов позволяют оценивать концентрации и размеры частиц.

Задачи и ожидаемые результаты использования ВСС

• •    Контроль состояния атмосферы над городами, обнаружение техногенных выбросов промышленных предприятий, распространения пылевых и соляных бурь, выделения дымовых шлейфов, локализация источников задымления и оценки границ размывания шлейфов.

• •    Мониторинг снежного покрова как индикатора загрязнения воздуха. Загрязнение снега влияет на яркость изображения и спектры в диапазоне 400…950 нм, что дает возможность картографировать площади и определять интенсивность загрязняющих воздействий.

• •    Оперативный космический мониторинг разливов нефти. Использование подробных

спектров видимого и ближнего инфракрасного диапазонов наряду с измерениями индикатрисы позволяет зафиксировать наличие и отслеживать движение нефтяного пятна на водной поверхности, а также определять утечки нефти на земной поверхности.

• •    Мониторинг лесных и торфяных пожаров. Применение изображений и спектров диапазона совместно с измерениями индикатрисы позволит оценить объемы выбросов аэрозолей в атмосферу в результате пожаров.

• •    Инвентаризация сельскохозяйственных угодий, контроль состояния посевов, выделение участков эрозии, заболачивания, засоленности и опустынивания, определение состава почв.

Устройство и работа ВСС

Научная аппаратура ВСС конструктивно выполнена в виде переносного автономного моноблока, в состав которого входят:

• •    базовый блок;

• •    блок объектива;

• •    блок аккумулятора;

• •    блок монитора;

• •    установочный кронштейн;

• •    контрольно-поверочная аппаратура;

• •    специальное программное обеспечение.

ВСС позволяет проводить съемку как с рук оператора, так и с установочного кронштейна (рис. 1).

а)

Рис. 1. Внешний вид научной аппаратуры «Видеоспектральная система»: а — на юстировочном столе; б — на установочном кронштейне. 1 — базовый блок; 2 — блок объектива; 3 — блок монитора; 4 — камера видеосопровождения; 5 — установочный кронштейн; 6 — датчик углов поворота установочного кронштейна

б)

Базовый блок состоит из корпуса, в котором установлены одноплатный компьютер, блок питания, блок изображений с устройством светоделителя, а также три матричных полихроматора, соединенных жгутами передачи изображения с устройством светоделителя.

Одноплатный компьютер, работающий под управлением операционной системы Windows XP , обеспечивает:

• •    выдачу команд управления режимами работы полихроматоров и блока изображений;

• •    прием служебной информации о режимах работы полихроматоров и блока изображений;

• •    прием, хранение и просмотр зарегистрированных данных от полихроматоров;

• •    прием, сжатие, хранение и просмотр данных от блока изображений, включая данные о дате и времени проведения съемки;

• •    выдачу информации о режимах работы видеоспектральной системы на индикаторы контроля;

• •    выдачу зарегистрированных данных в бортовой лэптоп поддержки научных экспериментов с записью на сменный жесткий диск.

Блок питания предназначен для питания всех составных частей НА ВСС.

Блок изображений предназначен для регистрации цветного изображения высокого пространственного разрешения спектрометриру-емого участка земной поверхности в видимом диапазоне длин волн и имеет следующие характеристики:

число элементов (пикселей)

изображения 7 304x5 478;

размер приемной площадки матрицы, мм 33,1x44,2; размер пикселя, мкм 6,8; спектральный диапазон, нм 380…920; поле зрения с высоты 400 км, км 28,5x36,9; проекция пикселя с высоты 400 км, м 4,8.

Устройство светоделителя предназначено для:

• •    разделения световых потоков после объектива между полихроматорами и блоком изображений;

• •    формирования полей зрения полихро-маторов в поле зрения блока изображений;

• •    формирования световых потоков спек-трометрируемых зон съемки;

• •    формирования светового потока пропорционально уровню освещенности блока изображений;

• •    пропорционального масштабирования световых потоков полихроматоров по размерам их входных щелей.

Устройство светоделителя состоит из плоской полупрозрачной пластины, разделяющей световой поток, спроецированный объективом, на два. Один из них проецируется на приемную матрицу блока изображений, а второй фокусируется на второй дополнительной плоскости изображения. На этой плоскости формируются три области (зоны) спектрометрирования, которые жгутами передачи изображения передаются на входные щели полихроматоров. С этой же плоскости с помощью световодов сигнал уровня освещенности передается на блок изображений.

Каждый из трех матричных полихромато-ров предназначен для диспергирования светового потока от объекта исследования и проецирования спектра на приемник излучения (высокочувствительную ПЗС-матрицу) для регистрации спектров в диапазоне длин волн 400…950 нм.

Каждый из матричных полихроматоров позволяет получить не менее 90 элементов изображения по высоте входной щели поли-хроматора.

Технические характеристики полихроматоров: спектральный диапазон, нм         400…950;

спектральное разрешение, не хуже, нм                                5,0;

дифракционная решетка:

– тип                вогнутая голограммная;

– число штрихов, штр./мм               315;

фотоприемник излучения:

• -    разрешение, пиксель            1 044x1 044;

• -    размер пикселя, мкм                 24x24;

полоса обзора полихроматора, м                     16 120;

пространственное разрешение в центре спектрометрируемой области, м         40,3;

количество пространственных зон спектральной съемки                270.

Блок объектива состоит из входного объектива, конвертера, устройства установки блока объектива на базовый блок и фиксации базового блока на кронштейне установочном, камеры видеосопровождения съемки.

Входной объектив Hasselblad HC 4,5/300 с конвертером Hasselblad H 1.7x Converter обеспечивают фокусное расстояние объектива 510 мм.

Камера видеосопровождения блока объектива (электронный видоискатель) предназначена для контроля оператором объектов съемки на мониторе и представляет собой миниатюрную цветную видеокамеру.

Блок аккумулятора состоит из аккумулятора и корпуса с элементами крепления к базовому блоку и предназначен для проведения съемок в автономном режиме (при отключении базового блока от бортовой сети).

Блок монитора состоит из монитора с резистивным сенсорным экраном, корпуса монитора с устройством фиксации его на базовом блоке (либо в любом другом месте с помощью ленты «ВЕЛКРО») и кабеля подключения к базовому блоку.

Кронштейн установочный предназначен для надежной фиксации НА ВСС на иллюминатор 0426 мм служебного модуля РС МКС, обеспечения отклонения полей зрения НА ВСС в двух плоскостях, высокоточного определения углов отклонения и точной привязки спектров и изображений к углам наблюдения объектов относительно надира.

В качестве датчиков углов поворота использованы абсолютные однооборотные энкодеры. Кронштейн обеспечивает:

• •    плавное отклонение оси визирования по двум координатам (±30°);

• •    регистрацию углов отклонения по двум координатам X и Y ;

• •    фиксирование положения прибора ВСС в установленном оператором положении;

• •    возможность быстрого съема прибора ВСС для ручного наведения и съемки объектов с рук оператора.

Точность измерения углов поворота по осям не хуже 0,2°.

В комплект НА ВСС также входят: зарядное устройство аккумулятора; контрольноповерочная аппаратура; комплект кабелей; специальное программное обеспечение.

Контрольно-поверочная аппаратура предназначена для проверки работоспособности НА ВСС при проведении автономных испытаний и проверочных включений. Контрольноповерочная аппаратура состоит из единого блока, в котором размещены диффузная сфера, излучатель из восьми светодиодов, коллимационный объектив и кронштейн крепления контрольно-поверочной аппаратуры к блоку объектива с фланцем, позволяющие провести проверку работоспособности НА ВСС. Светодиодный излучатель представляет собой имитатор световых потоков со схемой управления.

Комплект кабелей предназначен для подключения НА ВСС и зарядного устройства к бортовой сети электропитания.

Специальное программное обеспечение необходимо для тестирования блоков, управления работой НА ВСС, приема данных матричных полихроматоров, блока изображений и датчиков углов поворота, сохранения данных на диске и их просмотра. Специальное программное обеспечение адаптировано для сенсорных экранов и оптимизировано для работы на компьютере с низким энергопотреблением.

Алгоритм работы специального программного обеспечения состоит из следующих этапов:

• •    тестирование модулей НА ВСС. По результатам тестирования определяются режимы работы комплекса: стандартный, ограниченный либо критический (работа невозможна);

• •    выбор оператором НА ВСС параметров регистрации (возможен выбор параметров по умолчанию);

• •    выбор оператором НА ВСС числа кадров, которые будут сняты за одну серию съемки;

• •    синхронная регистрация данных со всех модулей НА ВСС и их сохранение на диск;

• •    просмотр оператором НА ВСС отснятых ранее кадров

Вид основного окна программы представлен на рис. 2. В области изображения главного окна программы управления выводится изображение с электронного видоискателя камеры видеосопровождения, которая служит для того, чтобы оператор НА ВСС смог нацелиться на объект съемки. Для удобства наведения прибора на объект съемки поле зрения блока изображения обозначено синим прямоугольником.

Рис. 2. Главное окно программы

В окно просмотра (рис. 3) выводится отмеченное прямоугольником поле зрения блока изображения. В левой области окна программы находится стилизованный под фотопленку компонент просмотра отснятых блоком изображения кадров, а также зарегистрированных спектров. Компонент позволяет просмотреть отснятые за время работы программы кадры, т. е. от момента запуска до момента закрытия главного окна программы управления.

После окончания работы со специальным программным обеспечением возможно копирование данных с НА ВСС на внешний носитель информации.

Рис. 3. Окно просмотра отснятых кадров

Спектрально-энергетические калибровки образцов НА ВСС проводились на метрологическом комплексе «Камелия-М» НИИПФП БГУ, аккредитованном в Госстандарте Республики Беларусь (регистрационный номер BY /112 02.5.0.0012).

Калибровка по длинам волн всех трех матричных полихроматоров (МП) и канала блока изображений НА ВСС проводилась с помощью монохроматического осветителя с зеркальным коллиматором. Было определено спектральное разрешение всех МП во всем рабочем спектральном диапазоне для различных участков входной щели каждого поли-хроматора. Также с помощью монохроматического осветителя определены поля зрения трех МП в фокальной плоскости.

Границы полей зрения МП определялись в пиксельных координатах канала блока изображений. Кроме того, схема измерений позволила провести оценку пространственного разрешения каждого спектрометра во всем спектральном диапазоне по всей высоте входной щели полихроматора. Воспроизводилось условие освещения участка входной щели размером не более 30 мкм для центральной области входной щели. Проведена оценка функции размытия точки на разных участках матрицы каждого МП, что позволило определить пространственное и спектральное разрешения матричных полихроматоров. С помощью монохроматического осветителя были также определены относительные спектральные чувствительности каналов R , G и B блока изображений.

Калибровка по спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) НА ВСС осуществлялась на комплексе «Камелия-М» с помощью фотометрической сферы, позволяющей воспроизводить 12 градаций яркости СПЭЯ. Калибровка проведена для всего набора экспозиций. На рис. 4 показан отклик прибора в отсчетах аналого-цифрового преобразователя для нескольких градаций яркости фотометрической сферы, а также графики отклика одного МП для нескольких длин волн.

а)

б)

Рис. 4. Результаты калибровки научной аппаратуры «Видеоспектральная система» на комплексе «Камелия-М»: а — отклик «Видеоспектральной системы» в отсчетах АЦП для нескольких градаций яркости фотометрической сферы (количество ламп: ■ — одна; ■ — две; ■ — три; ■ — четыре; ■ — пять; ■ — шесть); б — графики отклика (линейности) одного матричного полихроматора для нескольких длин волн: ■ — 466,7 нм; ■ — 572,7нм; ■ — 678,8 нм; ■ — 784,9 нм; ■ — 890,9 нм

Примечание. АЦП — аналого-цифровой преобразователь; СПЭЯ — спектральная плотность энергетической яркости.

Научная аппаратура ВСС успешно прошла все испытания и в октябре 2014 г. доставлена на борт РС МКС (рис. 5).

Рис. 5. Космонавт Шкаплеров Антон Николаевич на борту МКС проводит съемки видеоспектральной системой (26 декабря 2014 г.)