Технічні характеристики авіаційних гіперспектральних систем

Технічні характеристики авіаційних гіперспектральних систем

Носій

Бортова гіперспектральна

апаратура

Висота польоту

км

Кількість спектральних каналів

Спектральний діапазон, мкм

Кутова

розрізненість,

мрад

Кут поперечного огляду

ER-2A

AVIRIS (Airborne Visible/ Infrared Imaging Spectrometer)

2.5-21

0.4-2.45

1.0

WC-135U

AIS-2 (Airborne Imaging Spectrometer)

3-12

0.8-2.4

1.33

3.5

PC-6

AHS-75 (Airborne Hyperspectral

Scanner)

1-5

0.45-2.5

2.5

Do-228

DAIS-7915 (Digital Airborne Imaging Spectrometer)

0.5-10

0.4-12.0

3.3

Do-228

ROSIS (Reflective Optics System Imaging Spectrometer)

0.5-10

0.43-0.85

0.56

LearJet 23

CASI-1500 (Compact Airborne Spectrographic Imager)

0.5-10

0.43-0.87

0.45

40.5

LearJet 23

SASI-640 (Shortwave Infrared

Airborne Spectrographic Imager)

0.5-10

0.95-2.45

1.1

40.5

CV-580

HYDICE (Hyperspectral Digital Imagery Collection Experiment)

1.5-8

0.4-2.5

0.53

40,5

WB-57F

HyMap+ (Hyperspectral Mapper Plus)

2-10

0.4-2.5

2.0

61.3

WB-57F

HySpex-1600 (Airborne Hyperspectral Imaging System)

2-10

0.4-1.0

0.375

61.3

WB-57F

MAIS (Modular Airborne Imaging Spectrometer)

2-10

0.44-11.8

3.0

WB-57F

OMIS-II (Operational

Modular Imaging Spectrometer)

2-10

0.4-5.0

1.5

WB-57F

MIVIS (Multispectral Infrared and Visible Imaging Spectrometer)

2-10

0.43-12.7

2.0

OP-3C

PHILLS (Pushbroom Hyperspectral Imager for Low- Light Spectroscopy)

0.1-6

0.4-1.0

5.2

 

1.5. Передавальні властивості гіперспектральних аерокосмічних зображень

Тракт походження гіперспектрального оптичного сигналу, починаючи від об’єкта випромінювання, середовища між об’єктом та іконічною системою аж до перетворення на зображення, складається з окремих послідовно з’єднаних оптичних передавальних ланок. Гіперспектральна система перетворює просторовий розподіл оптичного випромінювання в площині об’єкта  на розподіл у площині зображення Е(х).

Передавальні властивості ланки описуються сигналом на її виході під час подавання деякого стандартного сигналу спеціального вигляду на вхід. Найчастіше використовують імпульсну передавальну функцію g(x) – реакцію системи на одиничний вхідний імпульс – δ-функцію δ(х), причому

                                

                                                  (1.1)

Під час аналізу іконічних систем g(x) називається функцією розсіювання точки (ФРТ) і описує розподіл оптичного сигналу в зображенні ідеальної точки, утвореного іконічною системою. Повний оптичний сигнал в зображенні визначається імпульсною функцією через інтеграл-згортку:

                                                    (1.2)

Якщо оптичні сигнали Е(х) описані їх просторово-частотними спектрами Е(N), де N – просторова частота,

                      ,                                                (1.3)

то передавальні властивості іконічної системи характеризуються їхньою оптичною передавальною функцією (ОПФ). Оптична передавальна функція П(N) визначається як відношення комплексного просторово-частотного спектра сигналу на виході Е(N) системи до комплексного просторово-частотного спектра  сигналу на виході:

                                                     .                                                            (1.4)

Оскільки розподіл оптичного сигналу в зображенні описується інтервалом – згорткою (1.2), то між оптичною передавальною функцією П(N) та функцією розсіювання точки g(x) існує однозначний взаємозв’язок: ОПФ і ФРТ можна отримати одну з одної прямим та оберненим перетворенням Фур’є:

                                                                 (1.5)

                                .                          (1.6)

З (1.4) випливає, що просторово-частотний спектр зображення (1.3) визначається як добуток просторово-частотного спектра вхідного оптичного сигналу  та оптичної передавальної функції системи П(N). При послідовному з’єднанні декількох передавальних ланок їх спільна ОПФ визначається співвідношенням

                                  ,                                                 (1.7)

що істотно полегшує аналіз іконічної системи загалом.

Гіперспектральна іконічна система, на відміну від звичайної, формує оптичний сигнал, який поширюється не тільки у просторовому, а й додатково в спектральному вимірі. Тому Фур’є – перетворення (1.3) в гіперспектральній системі стає багатовимірним і дуже важко піддається аналітичному розв’язку. Крім того, застосування багатовимірного перетворення Фур’є не описує передавальні властивості системи зрозумілим універсальним методом, а просто переводить багатовимірний опис у просторово-частотну область. Для звичайних (одновимірних) іконічних систем таким універсальним показником є функція передавання модуляції (ФПМ) – дійсний модуль комплексної ОПФ. Ця характеристика повність описує передавальні властивості іконічної системи, має об’єктивний характер вимірювань та ґрунтується на добре опрацьованому математичному апараті. Зазначимо, що оцінювання іконічної системи за ФПМ охоплює оцінку за розрізнювальною здатністю, тому що остання визначається точкою за ФПМ.

Окреме оцінювання ФПМ окремих спектральних каналів гіперспектральної системи є неефективним, оскільки не враховує взаємних зв’язків між зображеннями в каналах. Для визначення просторової розрізненності іконічної системи, крім її ФПМ, додатково потрібна модель шумів, яка виражається функцією межового контрасту. Причому визначення моделі шумів пов’язане з тими самими труднощами, що й визначення ФПМ. Впровадження іконічних систем із дискретними багатоелементними фотоприймачами призводить до специфічних ефектів відтворення саме цифрових аерокосмічних знімків, що пов’язано з пастеризацією зображень. Особливо вказані ефекти заважають експериментальному визначенню ФПМ за цифровими аерокосмічними знімками. Загальною рисою всіх труднощів є статистичний характер процесів, що відбуваються в іконічній системі.

Подолати ці труднощі повністю або частково можна, якщо повернутися до первинної мети оцінювання просторової розрізненості іконічних систем, саме – до виявлення об’єктів за знімками. Необхідно визначити, що сам феномен розмиття зображення ідеальної точки в реальній іконічній системи тісно пов'язаний з оптичними абераціями, девіаціями реєстрування фотонів напівпровідниковими фотоприймачами та передавання фотоелектронів мікроелектронними трактами, тобто є квантово-механічними, а значить, принципово імовірнісними ефектами. В цьому контексті ФРТ можна розглядати як розподіл квантів у фізичній точці зображення, причому їх кількість швидко зменшується від центра до країв. Якщо вважати початкову кількість квантів фіксованою та достатньо великою, ФРТ набуває сенсу щільності просторового розподілу імовірності оптичного сигналу в вихідному зображенні іконічної системи

                                                                                               (1.8)

Де  – нормувальний множник, який за формулою (1.1) дорівнює 1, якщо знехтувати втратами енергії сигналу або підсиленням.

З цього міркування випливає суто імовірнісний характер виявлення об’єктів на аерокосмічних знімках, який практично не враховується класичним апаратом просторово-частотного аналізу, розмиває поняття просторової розрізненості та змушує дослідників додатково залучати інші імовірнісні моделі виявлення об’єктів на зображеннях, подібні до формули Живичина.

Сьогодні використання статистичних методів обробки цифрових аерокосмічних зображень для оцінювання їх передавальних властивостей є доволі перспективним, але більшість відомих підходів пов’язані з розділенням радіометричних полів, тобто не є уніфікованими. Разом з тим, бажано не втратити цінних напрацювань, отриманих під час просторово-частотного аналізу аналогових іконічних систем. Для одновимірних панхроматичних зображень використовують імовірне перетворення, яке визначає для кожної точки зображення імовірність безпомилкового розділення верхнього та нижнього б’єфів (помилок) перехідної характеристики, що відображає ідеальний детермінований стрибок сигналу між сегментами вздовж вибраного напрямку. Імовірнісне перетворення в неявній формі враховує вплив на якість зображення привнесених шумів. Воно легко узагальнюється на багатовимірні гіперспектральні знімки за допомогою оцінювання імовірності за багатовимірними розподілами щільності імовірності.

Нехай на гіперспектральному аерокосмічному зображенні за допомогою імовірнісного перетворення або іншим способом виділено багатовимірну перехідну характеристику вздовж визначеного напрямку.

Якщо вздовж цього напрямку обчислити розподіл імовірності Р(х) будь-якого з б’єфів багатовимірної перехідної характеристики вздовж вісі х, одержимо одновимірну імовірнісну перехідну характеристику. Просторова похідна цієї функції  є щільністю розподілу імовірності в точці гіперспектрального зображення.

Повертаючись до фізичного сенсу, з відомими припущеннями можна вважати одержану функцію  статисттичним описом еквівалентної ФРТ гіперспектрального аерокосмічного знімання, причому еквівалентність забезпечується саме з погляду прикінцевої мети оцінювання – виявлення об’єктів на зображенні.

Отже, просторово-статистичний підхід дає змогу згорнути багатовимірну ФРТ гіперспектральної іконічної системи до еквівалентної одновимірної без втрати інформативності та наочності одержуваних оцінок. Подальше застосування перетворення Фур’є до еквівалентної ФРТ дає змогу обчислити еквівалентну комплексну ОПФ гіперспектральної системи, дійсний модуль якої є еквівалентною ФПМ – основним показником передавальних властивостей гіперспектральних аерокосмічних зображень. Одержання еквівалентних ФПМ дає змогу повніше та теоретично обгрунтованіше оцінювати передавальні властивості гіперспектральних аерокосмічних зображень для забезпечення відповідності чинним міжнародним стандартам просторово-частотного аналізу.