Телевизионная съемка

Телевизионная съемка ведется телевизионными камерами в оптическом диапазоне электромагнитного спектра (0,4-1,1 мкм). Сущность телевизионной съемки заключается в том, что оптическое изображение местности преобразуется в электрический видеосигнал. Телевизионные приемники относятся к оптико-электронным системам дистанционного зондирования. Телевизионные камеры состоят из объектива, фокусирующего изображение на светочувствительную поверхность, электронно-лучевой трубки, блоков считывания информации и формирования сигналов для трансляции на наземные приемные пункты. Основной составной частью телевизионной камеры является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), которая и является приемником электромагнитного излучения.

Принципиальное отличие телевизионной камеры от фотоаппарата заключается в том, что оптическое изображение местности через объектив проектируется не на фотопленку, а на светочувствительный экран, на котором формируется электронное изображение, которое преобразуется в электрический видеосигнал. Кроме того, ресурс элементов оптико-электронной регистрации на много больше, чем возможный запас фотопленки на борту носителя, а значит, спутник с телевизионной системой может годами функционировать на орбите и оперативно постоянно передавать информацию на наземные приемные станции.

К достоинствам оптико-электронных приемников следует отнести то, что они обладают гораздо большей чувствительностью, чем фотоматериалы, что важно при съемке в условиях малой освещенности невысокой отражательной способностью объектов местности. Однако они имеют значительно меньшую разрешающую способность, чем фотопленка, а также имеют значительные геометрические искажения.

В телевизионных камерах используются два вида передающих телевизионных трубок – диссекторные и видиконовые. Первые телевизионные камеры оснащены широкоугольным объективом, что позволяет фиксировать в пределах кадра значительные территории. В качестве светочувствительного элемента в этих трубках используется фотокатод, работа которого основана на внешнем фотоэффекте (рис.13). Фотокатод диссектора, на который проектируется опти­ческое изображение, испускает электроны с плотностью, пропор­циональной освещенности.

Так создается электронное изображе­ние, элементарные участки (элементы) которого с помощью откло­няющей системы последовательно подводятся к входному отверстию-фотоэлектронного умножителя, вырабатывающего электрический видеооигаал. В результате развертки двумерное изображение, пре образованное в одномерную функцию изменения напряжения во времени, можно передать по одному каналу связи.

Эти телевизионные камеры используются для глобальных съемок с геостационарных спутников. Впервые такая камера была установлена на спутнике «Молния-1». Недостатком таких телевизионных камер является невысокая разрешающая способность при широком угле зрения и громоздкость аппаратуры. Более широкое применение при дистанционном зондировании получили телевизионные камеры с видиконовыми передающими трубками, где в качестве светочувствительного экрана используется полупроводниковый фотоэлемент, работа которого основана на внутреннем фотоэффекте.

На плоскую поверхность прозрачного в требуемом спектральном интервале баллона трубки напыляется тончайшая пленка металла — сиг­нальный электрод, на которую наносится слой полупроводника (фотосопротивление). Если спроектировать изображение на свето­чувствительную мишень, то отдельные ее участки вследствие внут­реннего фотоэффекта изменят электрическое сопротивление обрат­но пропорционально их освещенности. В результате оптическое изображение создает на светочувствительной мишени электриче­ское изображение (потенциальный рельеф) из положительных за­рядов. Видеосигнал формируется на сигнальном электроде в про­цессе разряда мишени электронным лучом, быстро обегающим всю мишень. Движение луча по мишени обеспечивает отклоняю­щая система трубки, а образование узкого луча — фокусирующая. Чем меньше диаметр луча и, следовательно, больше строк скани­рования, тем более мелкие детали различаются в телевизионном изображении. Современные трубки космических телевизионных систем обеспечивают 500—1000 строк развертки при размерах мишени 0,5—5 см. Высокая чувствительность мишеней с внутрен­ним фотоэффектом, применяемых в видиконе, позволила упростить трубку и уменьшить ее размеры, что очень важно для орбиталь­ной съемки. В видиконе, в отличие от диссектора, электрическое изображение в виде зарядов образуется (накапливается) в тече­ние (всего времени между очередными циклами считывания потен­циального рельефа электронным лучом. Этот принцип повышает эффективность работы трубки и позволяет формировать телеви­зионное изображение в виде отдельных кадров.

В этих камерах наряду с высококачественными ЭЛТ используются узкоугольные длиннофокусные объективы, что позволило значительно повысить разрешающую способность снимков в 5-6 раз по сравнению с первыми снимками с ИСЗ типа «Метеор-Природа». Кроме того, в видиконе в отличие от диссектора, электрическое изображение в виде зарядов образуется в течение всего времени между очередными циклами считывания потенциального рельефа на светочувствительном экране электронным лучом, что позволяет формировать телевизионное изображение в виде отдельных кадров.

Телевизионная съемка для метеорологических целей проводилась с советских ИСЗ «Метеор», российского «Ресурс-0», американских «Тайрос» и «Нимбус». Разрешение телевизионных снимков - несколько километров (по краям от 6 до 8 км). Эти снимки используютсядля дешифрирования облачного покрова, составления карт облачности, которые используются для прогноза погоды. Также они используются для изучения снежного покрова в целях гидрологических прогнозов и анализа ледовой обстановки на морях.

Кроме метеорологических целей и исследования земной поверхности телевизионная съемка используется при изучении планет Солнечной системы и их спутников.

Основные достоинства телевизионных съемок - оперативность (получение изображений в реальном или близком к реальному масштабу времени), технологичность в обработке, обеспечение быстрой и многократной повторности съемок одних и тех же территории.

Сканерная съемка

Сканерная съемка в отличие от фотографической и телевизионной может выполняться от видимого диапазона до инфракрасного теплового с длиной волны в единицы и десятки микрометров. Для съемки используются оптико-механическое сканирующее устройство, которое состоит из вращающегося зеркала, устанавливаемого под углом 45° к направлению вращения, перпендикулярному к плоскости орбиты и детекторов, чувствительных к излучению определенных длин волн (рис. 15).

Принцип работы оптико-механического сканирующего устройства заключается в следующем: сканирующий элемент (вращающееся зеркало), поэлементно просматривая местность поперек движения носителя (рис. 14), посылает лучистый поток в объектив и далее на точечный фотоприемник (детектор), который преобразует его в электрический сигнал, передаваемый с носителя по каналам связи на наземные приемные станции (рис.15).

Детекторы сканирующего приемника выбираются в зависимости от требуемого диапазона зондирования. При съемке в диапазоне 0,4 - 1,1 мкм. используются кремневые, в окне прозрачности атмосферы 7-14 мкм. применяют детекторы из ртуть-кадмий-теллурида или германия с включениями ртути.

Отличительная особенность сканерных снимков состоит в том, что их изображение состоит из полос (сканов), которые в свою очередь состоят из отдельных элементов (пикселов). Спектральная яркость объектов в пределах элемента изображения усредняется и детали не различаются.

Разрешающая способность изображений, получаемых сканирующими системами и ширина охвата съемкой полосы, зависят от угла сканирования (обзора) и мгновенного (элементарного) угла зрения. Угол сканирования и мгновенный угол зрения, а следовательно, охват съемкой и разрешение на местности - взаимосвязанные величины. Чем выше разрешение сканера, тем меньше охват съемкой местности. Например, при разрешении 1-2 км, из космоса снимают полосу шириной в несколько тысяч километров; при разрешении в 200-300м до 1000км, а при разрешении в 50-80м ширина полосы съемки не превосходит первые сотни метров.

По своим геометрическим свойствам сканерный снимок, состоящий из отдельных элементов, уступает фотографическому. Однако, сканерная съемка, в отличие от фотографической, имеет большие возможности по использованию узких съемочных зон для получения изображения во всех спектральных диапазонах. Кроме того, она обеспечивает быструю передачу информации на наземные приемные станции и возможность представления снимка в цифровом виде, что позволяет использовать компьютерные технологии для его тематической обработки.

Оптико-механические сканеры с вращающимся зеркалом достаточно сложны в изготовлении и эксплуатации. В последнее время широко начали использоваться для сканирования многоэлемептные приборы с зарядовой связью (ПЗС), которые отличаются простотой и надежностью сканирования. В качестве светочувствительного элемента в этих системах используются линейки, которые смонтированы из нескольких тысяч кристаллических детекторов. На линейку проецируется изображение местности и с каждого детектора снимается электрический сигнал, характеризующий спектральную яркость снимаемого объекта (рис. 16). Для сканирования в различных зонах спектра применяют несколько линеек, регистрирующих каждая свой спектральный интервал. Такое сканирование проводится в оптическом диапазоне.

Впервые сканерная съемка начала проводиться с советских метеорологических спутников серии «Метеор» и американских серии «Нимбус», получаемые снимки имели разрешение 1-3 км в центре и 5-8км по краям.

К 70-м годам техника сканерной съемки существенно усовершенствовалась, что позволило получать снимки более высокого разрешения и использовать ее для изучения природных ресурсов.

Впервые сканерный метод съемки для изучения земной поверхности был выполнен с американского ресурсного спутника ERTS, впоследствии переименованный в «Ландсат». Для съемки использовалась многоспектральная сканирующая система МSS, дающая изображение полосы шириной 185 км в зеленом, красном и ближнем инфракрасном диапазонах спектра в интервалах 0,5-0,6; 0,6-0,7; 0,7-0,8; 0,8-1,1мкм. Элемент разрешения на местности 59×79м.

С 1974 по 1980гг. в СССР проводились запуски спутников серии «Метеор» и «Космос» с экспериментальной аппаратурой для сканерной съемки в целях изучения природных ресурсов. Основная съемочная аппаратура, общая для всех этих спутников – многозональное сканирующее устройство малого разрешения (МСУ-М), работающее в тех же спектральных диапазонах, что и многозональная сканирующая система МSS на спутнике «Ландсат».

Многоэлементные ПЗС-снимки с разрешением 45м в полосе обзора 45км, в трех спектральных диапазонах: 0,5-0,6; 0,6-0,7; 0,8-0,9 мкм получают с российских спутников серии «Ресурс 0-1». На французском спутнике SPOT установлены две идентичные съемочные камеры с многоэлементными линейными светоприемниками. Ряд (линейка) светоприемнико-детекторов включает 6000 элементов, дающих строку ширины полосы охвата 60км. Ведется многозональная съемка в трех спектральных диапазонах 0,50-0,59; 0,61-0,68; 0,70-0,89мкм с разрешением 20м или монохроматическая в интегральной зоне 0,51-0,75мкм с разрешением 10м. Снимки со спутника SPOT используются для решения задач топографического и крупномасштабного тематического картографирования.

Снимки получаемые аппаратурой МСУ-М, используются в геологических, гидрологических, гляциологических и лесохозяйственных исследованиях. Снимки получаемые с помощью системы «Фрагмент» обладают высоким разрешением и используются для среднемасштабного тематического картографирования.