بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله طراحی و شبیهسازي سیستمی محموله تصویربرداري یک ماهواره سنجش از دور ارائه شده است. با توجه به تجربیات موجود در این زمینه ابتدا نیازمندیهاي ماموریت شناسایی شده و سپس بصورت مرحله به مرحله روش طراحی سیستمی محموله هاي تصویربرداري پنکروماتیک و چند طیفی توضیح داده خواهد شد و پارامترهاي اپتیکی و الکترونیکی مورد نیاز هر دو دوربین محاسبه و شبیه سازي خواهند شد. در این طراحی از تجربیات سایر کشورهاي صاحب تکنولوژي نیز استفاده شده است.
-1 مقدمه
سنجش از دور به معناي بدست آوردن مجموعهاي از اطلاعات، با استفاده از روشهاي حرارتی و دیگر مکانیزمهاي تولید تشعشع الکترومغناطیسی و نهایتاً آشکار سازي آن توسط سنسورهاست.
سیستمهاي مرئی در محدودة ابتداي باند ماوراء بنفشuv 0/3 - میکرومتر - تا انتهاي باند قرمز طیف مرئی کار میکنند.
آنها پتانسیل تفکیکپذیري بالایی را به خاطر طول موجهاي کوتاهشان دارند، اما فقط در روز میتوانند کار کنند چون به نور منعکس شده خورشید وابستهاند. سیستمهاي دوربین فتوگرافی و الکترواپتیکی - - E-O مورد استفاده در سنجش از دور، هم توسط هواپیما و هم توسط ماهواره بکار میروند.
بلوك دیاگرام نوعی تجهیزات محموله تصویربرداري یک ماهواره سنجش از دور مرئی در شکل - 1 - نشان داده شد.
این سیستم شامل دوربینهاي تصویربرداري، تجهیزات جمعآوري و شکل دهی داده و مجموعه رادیویی روي برد میباشد.
دوربینها دریافت تشعشع نوري از سطح زمین و تبدیل تصویر نوري به سیگنال الکتریکی دیجیتال را فراهم میکند.
تشعشع نوري دریافتی توسط آشکارساز CCD خطی یا ماتریسی به ولتاژ یا جریان الکتریکی تبدیل شده و پس از تقویت توسط مبدل A/D کم نویز به داده دیجیتال تبدیل میشود. بخش جمع آوري و شکل دهی داده، نرخ مناسب جهت ارسال از طریق لینک رادیویی، ذخیره داده و بازخوانی، ایجاد فریمهاي اطلاعاتی براي ارسال همراه با اطلاعاتی در مورد شرایط نقشه برداري، زمان و غیره را فراهم میکند.
شکل : 1 ساختار محموله تصویربرداري یک ماهواره سنجش از راه دور
بطور رایج سیستمهاي سنجش از دور با روش پوش بروم، از المانهاي حساس به نور CCD که در باند مرئی عمل میکنند، کار میکنند به این دلیل که میتوان هزاران المان در یک خط داشته و یک میدان حساس به نور وسیعی را براي پوشش میدان دید ایجاد کرد.
دوربین پنکروماتیک و چند طیفی براساس سنسورهاي خطی با امکان توزیع بار بیش از 4000 المان در خط را دارند. آنها براي نقشه برداري پوش بروم مناسبند. دوربین پنکروماتیک براساس یک سنسور خطی و دوربین چند طیفی براساس سه سنسور خطی مشابه موازي عمل میکند
سیستم اپتیک محموله تصویربرداري شامل مجموعه لنزهاي انکساري و فیلترهاي مورد نیاز براي باند انتخابی میباشد.
این سیستم نور منظره را جمعآوري کرده و پهناي باند طیفی محدودي را بر روي CCD متمرکز مینماید.
شکل - 2 - شماي اپتیکها و ترتیب آشکارساز CCD خطی را نشان میدهد. فیلترهاي نوري میان گذر در جلوي CCD
قرار میگیرند. فیلترهاي نوري باندهاي طیفی دوربینهاي پنکروماتیک و چند طیفی را شکل میدهد. به صورت تابعی هر دوربین شامل واحد مبدل اپتروماتیک و اپتیک میباشد.
شکل : 2 ساختار دوربین تصویربرداري پنکروماتیک و چند طیفی
در ادامه روند طراحی محموله تصویر برداري و مراحل آن آورده میشود:
-2 مراحل طراحی دوربین پنکروماتیک و چند
طیفی
در باند مرئی ما با تصاویري سرو کار داریم که توسط انرژي منعکس شده - مخصوصاً از نور خورشید - توسط منظره هدف، ایجاد میگردند. اما در مادون قرمز، تمام چیزهایی که خودشان تشعشع دارند با انرژي خیلی کم انعکاسی بخصوص در شب دیده میشوند.
مراحل طراحی را میتوان به صورت زیر خلاصه نمودک
-1-2 مرحله اول: تعیین نیازمندیها
پارامتر تفکیکپذیري معمولاً روزنه دستگاه را مشخص میکند چون پدیده پراش براي سیستم اپتیکی محدودیت ایجاد میکند. هر یک از این پارامترهاي محموله، میتواند پارمتر اصلی براي هزینه باشند بنابراین تعیین اولیه
بهمن 85، مرکز تحقیقات مخابرات ایران
پارامترها بیشتر انتخابی است. افزایش تعداد سنسورهاي محموله هزینه بیشتري دربر دارد. سنسورهاي مختلف محموله براي موضوعهاي گوناگون، به ما اطلاعات مفید بیشتري میدهند اما باعث بالارفتن هزینه میگردند.
-2-2 مرحله دوم: تعیین روزنه
با تفکیک پذیري داده شده میتوان روزنه محدود شده به پراش - کوچکترین - ، D را محاسبه کرد. وابسته به چگونگی تعریف کمترین تفکیکپذیري میتوان D را به منظره زمین دور از نادیر، تصویر نمود. این فرآیند، اندازه روزنه را براي طراحی اولیه مشخص میکند.
بعداً بیشترین مقدار تفکیکپذیري و حساسیت با تعریف تابع انتقال مدولاسیون یا MFT، تعیین میشود. تابع انتقال سیستم به سادگی از حاصل ضرب توابع انتقال هر یک از المانهاي آن ایجاد میگردد.
-3-2 مرحله سوم: محدوده دینامیکی و ثابت
ابتدا بایستی مناظر زمینی را که انتظار میرود در زمان مأموریت تصویربرداري شود تحلیل نمود. معمولاً این کار با استفاده از دیتاي درستی که در مأموریتهاي قبلی روي همان باند گذر توسط دستگاه اندازهگیري شده، انجام میپذیرد. باید تشعشع ویژگیهاي روي زمین را با استفاده از مقادیر انعکاس از مناظر مرئی محاسبه کرد. این مقادیر تشعشع ابتدا به روزنه و سپس به صفحه کانونی ارسال میگردد، فاکتور کار براي جو، آب و هوا و اتلاف اپتیکی به کار می رود. با استفاده از این محاسبات میتوان محدوده دینامیکی و دقت مطلق مورد نیاز براي آشکارسازها را تعیین نمود. پس از آن پاسخ آشکارساز R - ولت یا آمپر خروجی به ازاي انرژي ورودي - و فاکتور بزرگ نمایی اپتیکها - F* - مورد نیاز است. با استفاده از این مقادیر، حداقل پاسخ قابل قبول تعیین میگردد - که بعداً با مقدار نویز مقایسه میگردد - و خروجیهاي اشباع بدست میآیند.
-4-2 مرحله چهارم: انتخاب آشکار ساز کاندید
آشکارساز مرئی براساس چهار فاکتور انتخاب میشود D*:، باند گذر، ثابت زمانی - τ - ، اندازه و شکل قابل دسترس.
فاکتورD* به قابلیت آشکارسازي مشخص - specific detectivity - گفته میشود و با کارایی آشکار سازهاي IR فرق میکند. این فاکتور سطح آستانهاي را مشخص مینماید که آشکار ساز میتواند سیگنال درست بالاي سطح نویز، تحت شرایط خاص آزمایشگاهی، را آشکار نماید. مقدار عددي آن پاسخ دهی دو جانبه را شامل میشود یعنی سطح چیپ آشکار ساز و فرکانسهاي نمایش - - Exposure مورد استفاده در آزمایشگاه. مقدار
1011، خیلی خوب است.
-5-2 مرحله پنجم: تعیین بودجه لینک اپتیکی
براي تخمین مقدار سیگنال ، فرمولی که با توجه به پارامترهاي CCD و شرایط مشاهده در نظر گرفته میشود به صورت زیر است.
که در آن :UA مقدار سیگنال دیجیتال دوربین تا مشخصه کوانتیزاسیون - مبدل آنالوگ به دیجیتال - ، :D قطر اپتیک، F : فاصله کانونی، :h ثابت پلانک، :c سرعت نور، :a ابعاد المان آشکار ساز a ×a ، : Es - λ - روشنایی سطح زمین توسط خورشید، :τ0b - λ - انتقال اپتیک، :τ f - λ - انتقال فیلتر نوري بین باند - - λ1 − λ2 ، :τatm - λ - انتقال اتمسفر،
: ρλ انعکاس سطح زمین، :Tn زمان ذخیره CCD، - : ηλ راندمان کوانتمیCCD، : λ طول موج، : N0 مقدار سیگنال - الکترون - مربوط به یکی از سطوح کوانتیزاسیون مبدل آنالوگ به دیجیتال.
-6-2 مرحله ششم : ساختار صفحه کانونی
این ساختار به چندین شکل میتواند در نظر گرفته شود.
مانند: آشکار سازهاي تکی ، یک تک خط از آشکارسازها که عرض نوار را پوشش میدهند، ماتریسهاي مستطیلی در امتداد یا عرض رد و یا ماتریس مربعی.
در صفحه تصویر سنسور، یک آشکارساز سیگنال مربوط به المان تفکیک زمینی را ثبت میکند. گروهی از این قبیل پیکسلها تصویر را میسازند. عرض نواري که بصورت الکترونیکی و یا اسکنر مکانیکی هدایت میشوند، محدود است چون اسکنر باید مناظر مجاور را هم با حرکت رو به جلوي ماهواره ثبت نماید. معمولاً 10 درصد همپوشانی نادیر استاندارد است. هر پیکسل براي ثبت به زمان سکون محدودي نیاز دارد. زمان پاسخ آشکارسازها و چابکی بیم براي تشخیص عرض نوار مجاز ترکیب میشود. سیستمهاي تصویربرداري در یکی از سه مد پایه کار میکنند: پیمایشی، پوش بروم و ماتریسی .
در اسکن پوش بروم، سیستم اپتیکی با میدان دید در جهت عرضی نوار، در امتداد رد ، تصویر را ثبت میکند که تصویري مستطیلی شکل را نتیجه می دهد.
-7-2 مرحلههفتم: انتخاب اپتیکهاي سیستم
با تعیین هندسی صفحه کانونی، میتوان فاصله کانونی f و میدان دید را مشخص نمود. بیشتر سیستمها کوتینگ اپتیکی را براي ممانعت از تشعشعات uv و فیلترهایی براي عبور باند انتخابی نیاز دارند.
-8-2 مرحله هشتم: تست طراحی
این مرحله به ما اجازه میدهد که مقدار تخمینی MTF
چک شود. بنابراین به اندازه روزنه بزرگتر براي برآورده نمودن نیاز تفکیک پذیري مورد نیاز است. میتوان کارایی موردنظر سیستم را برحسب کنتراست و حساسیت بهتر محاسبه کرد. این مرحله فرصت خوبی را براي تست کارشناسی هزینه، خطر پذیري و برنامه ریزي بوجود میآورد.
یک دوربین حالت جامد، شامل اپتیک، آرایه پیکسلها، و یک زنجیره سیگنال با مشخصات پاسخ فرکانسی الکترونیکی را میباشد.
