Методы и средства ГМИ. Григоров Н.О

гиперболическая орбита. Метеорологические спутники двигаются по круговым орбитам.

В соответствии со значением наклонения орбиты (угол между плоскостьюэкватора и плоскостьюорбиты)спутники делятсянаэкваториальные,наклонныеиполярные(рис.9.5).Уэкваториальных i=00,уполярных i = 900, у наклонных 00 < i < 900.

Экваториальный спутник будет всегда летать над экватором. При высоте орбиты H = 35810 км и i = 0° период обращения ИСЗ сравняется с периодом оборота Земли. Спутник будет вращаться с такой же угловой скоростью, что и Земля, и, перемещаясь поорбитев направлении совпадающим с направлением вращения Земли, будет всёвремя находиться над одним и тем же наземным пунктом. Такой ИСЗ называется геостационарным. Витки полярного ИСЗ при каждом новом обороте ввиду вращения Земли будут смещаться к западу. Такие спутники будут наблюдаться в любом пункте земной поверхности в то или иное время.

Наклонная орбита		Полярная
обратного ИСЗ
		орбита

Наклонная

орбита

Экваториальнаяорбита

Рис. 9.5. Основныетипы орбитИСЗ

261

Орбита наклонныхИСЗ проектируютсяна поверхностьЗемли только в пределах широт Dj = ± i.

Все ИСЗ могут разделяться на прямые и обратные. Прямыедвижутся в направлении вращения Земли с запада на восток, для них 0 < i < 900; обратные– с востока на запад и для них 900 < i < 1800. Прямыеспутники запускать легче, так как при их выводе на орбиту к скорости ракеты добавляетсялинейная скорость вращения Земли. При запускеобратных спутниковлинейнаяскорость вращенияЗемли вычитаетсяизскорости ракеты.

ИСЗ разделяются также на периодические и непериодические. Период вращения первых кратен периоду обращения Земли, поэтому положение спутника относительно поверхности Земли каждые сутки повторяется. Непериодические спутники таким свойством не обладают.

По высотеорбиты ИСЗ могут быть разделены на три группы: низкоорбитальные, среднеорбитальныеи высокоорбтальные. Впервую группу включены спутники, запускаемыена высоты 200-500 км. К ним относятся пилотируемые космические корабли, орбитальныекосмические станции и отдельныеспутники. Втораягруппа представленаспутниками,запускаемыми на высоты от 500 км до нескольких тысяч километров. На этих высотах летают спутники метеорологического, геодезического назначения, а такжедругиеИСЗ. К третьей группеотносятсяспутники свысотой полета в десятки тысяч километров. Эти высоты используются для запускаметеорологическихгеостационарныхспутниковиспутниковсвязи.

Для метеорологических спутников выбор орбиты имеет важное значение. В связи с этим к орбитам метеорологических искусственных спутников Земли (МИСЗ) предъявляют определенные требования:

1)обеспечение широкой полосы обзора со спутника;

2)предоставление возможности получения изображений объектов атмосферы и земной поверхности высокого разрешения;

3)обеспечение требуемой для метеорологических наблюдений периодичности;

4)получение метеорологических данных над конкретным географическим районом в определенное время.

Эти требования могут быть удовлетворены путём выбора высоты, формы, наклоненияорбиты иопределенияоптимальноговременизапуска МИСЗ.

Длямаксимальногоохватаземной поверхностинаблюдениями обзорной аппаратуры применяютсяполярныеорбиты. Дляметеорологических наблюденийиспользуютсякруговыеилиблизкиекним орбиты. Они обес-

262

печивают упрощениегеографическойпривязки,обработкии анализа спутниковойинформации.

Большое значение при метеорологических наблюдениях с МИСЗ имеет детальность наблюдений, т.е. различение необходимых деталей при заданной полосеобзора. Этообстоятельствоопределяет выбор высоты орбиты МИСЗ. С увеличением высоты полёта полоса обзора увеличивается, а детальность наблюдений ухудшается. Поэтому при необходимости получения повышенной детальности изображений чаще используются среднеорбитальные МИСЗ с высотой полета 600-1500 км, для сбораобобщеннойинформациисбольшойплощади обычноиспользуются спутники, имеющие высоту орбиты около 36000 км.

При выборе орбит спутников учитывается, что глобальныеметеорологические наблюдения должны выполнятся по крайней мере 2 раза в сутки. Время запуска определяется таким образом, чтобы обеспечить сбор максимальной информации над тем или иным районом, при этом время пытаются состыковать со сроками наземных наблюдений с целью синхронного совместного анализа данных.

Фотографирование земной поверхности с искусственных спутников Земли (ИСЗ) является важным источником информации для анализа и прогноза метеорологической ситуации. Научнаяаппаратура метеорологических спутников работает в двух режимах: в режиме запоминания информации и режиме непосредственной передачи.

Режим запоминания предназначен для получения глобальной информации. Дляэтогона бортуМИСЗимеетсяспециальноебортовоезапоминающееустройство,котороепозволяетнакапливатьнаучнуюинформацию. Полученная информация передается на Землю только при пролете спутника в зонеспециальных центров по приёму информации. Во время полёта в зоне радиовидимости Центра управления полетом (ЦУП) вся накопленная информацияпо сигналу ЦУПа передаетсяна Землю. Таким образом,сразупринимаетсяцелаясерияфотоснимков. Недостатком такогоспособаявляетсяневозможность полученияинформациилюбымиадресатами, кроме ЦУПа. В этом режиме работает весь комплекс научной аппаратуры.

В режиме непосредственной передачи работает аппаратура для получения региональных изображений облачности и подстилающей поверхности, т.е. изображений непосредственно того района, где в данный момент пролетает спутник. Недостатком такого способа является то обстоятельство, чтопри полетенадмалонаселенными регионами передава-

263

емаясИСЗинформацияпропадаетиз-заотсутствияадресатов(приёмников). Геостационарные ИСЗ часто используются в системе связи для ретрансляции радио- и телепередач. Если ИС неподвижно “висит”надрайоном расположения адресата, то такой режим является одним из самых выгодных. Во-первых, ИСЗ может достаточночастопередавать фотографиирайона расположенияадресата, чтонеобходимо,например, дляслеженияза динамикой развития облаков. Во-вторых, благодарязначительной высоте орбиты, ИСЗ “видит” соседние регионы, а также достаточно удалённые участки планеты. В-третьих, появляется возможность обрабатывать передаваемые фотоснимки, а затем использовать ИСЗ в качестве ретранслятора и передавать адресатам уже обработанные фотографии, например, с указанием реперных точек, позволяющих осуществить точ-

ную картографическую привязку.

9.5. Устройство и работа видикона

Теперь рассмотрим, как можно технически осуществить эту идею. Для этого употребляются передающие телевизионные трубки: видикон, суперортикон и др. Наиболеепростой являетсяпередающая трубка видикон. Рассмотрим её устройство (рис. 9.6).

Каквидноизрис. 9.6 устройствовидиконавесьма сходносустройством обычной электронно-лучевой трубки (Приложение5), применяемой, например, в осциллографах. Основой являетсявакуумный баллон,перед-

выход		6
		5
		4	3		2
	9				1
	8
	7	4	'	3	'

Рис. 9.6. Устройствовидикона (разрез)

1-катод; 2-фокусирующаясистема; 3,3' -вертикальноотклоняющиепластины; 4, 4' - горизонтальноотклоняющиепластины; 5 - кольцевойанод; 6 -сетка; 7- фотомишень; 8-сигнальная пластина; 9- защитноестекло

264

няя часть которого выполнена из стекла (9). Внутри расположены катод (1), осуществляющий эмиссию электронов, фокусирующая система (2) - она, как правило, состоит из нескольких электродов, вертикально и горизонтально отклоняющие пластины 3, 3' и 4, 4'. Таким образом, пучок электронов может отклоняться по вертикали и по горизонтали в зависимостиотнапряжения,поданногонапластины.Разогнавшисьвпромежутке катод-анод, электронный пучок по инерции продолжает своё движение дальше, к фотомишени (7), пролетаячерез сетку (6). Сетка имеет отрицательныйпотенциал,который тормозит движениеэлектронов. Врезультате электронный луч с небольшой скоростью “оседает” на правой стороне фотомишени.

Фотомишень являетсяглавной частьювидикона. Она изготавливается из материала, обладающего свойствами фотосопротивления. Как известно, при освещении светом фотосопротивление становится хорошим проводником, а в темноте, наоборот, изолятором. Фотосопротивление изменяет свою величину в зависимости от освещения. Этим свойствами фотомишеньобладаеттольковпоперечномнаправлении(перпендикулярно плоскости фотомишени), в других направлениях она в любом случае представляет собой изолятор. Слева от фотомишени располагается сигнальнаяпластина (8). Она является хорошим проводником, нопрозрачна длявидимогосвета. Обычнов качествесигнальной пластины используют золотую фольгу, настолько тонкую, что она вполне прозрачна и в то же время хорошо проводит электрический ток. Перед видиконом располагается объектив (он на рисунке не показан), фокусирующий изображение предмета, например, земной поверхности - в плоскости фотомишени. Объектив снабжен затвором, нормальное положение его закрытое.

Задача, которую выполняет видикон - получить электрический сигнал, амплитуда которогобыла бы однозначносвязана сяркостьюкаждого участка изображения. Очерёдность передачи устанавливается правилом строчнойразвертки (глава 9, раздел 9.1). Значит, при сканировании ярких участков изображения амплитуда электрического сигнала должна быть большой, а при сканировании темных -малой.

Процесс преобразования изображения в электрический сигнал проходит в несколько стадий. На первой стадии электронный луч сканирует плоскость фотомишени по правилу строчной развертки. Для этого на отклоняющиепластины необходимо подать напряжения, эпюры которых изображены на рис. 9.7. Ясно, чтоотношениепериодов будет равночислу строк в кадре, которое может быть выбрано достаточно большим.

265

Uгор

1

Uверт

2

Рис. 9.7. Эпюрынапряженийна горизонтально(Uгор)и вертикально(Uверт)отклоняющихпластинахприсканировании фотомишени электронным лучом

При сканировании вся правая поверхность фотомишени заряжается отрицательно. Совершенно ясно, что левая поверхность фотомишени, то естьсигнальнаяпластина,приобрететположительныйзаряд.Фотомишень можнорассматривать каксуммубольшогочисла элементарных конденсаторов,укоторыхлевыепластинысоединенывместесигнальнойпластиной, а правыепластины разобщены. Конденсаторы будут постепенноразряжаться, однакоочень медленно, таккаксопротивлениефотомишени велико.

Вторая стадияпроцесса состоит в том, чтозатвор объектива открываетсяна непродолжительноевремя. На левой поверхности фотомишени возникает изображение, состоящееизучастков разной освещенности. Сопротивление участков фотомишени в направлении, перпендикулярном к поверхности, окажетсяобратнопропорциональноосвещенности и упомянутые выше конденсаторы будут разряжаться сильнее на тех участках, которые больше освещены.

Выделим три уровня освещенности: сильный - в “белых” участках изображения, промежуточный – в “серых” и практически нулевой – в “чёрных”.Фотомишеньбудет разряжаться. Времяэкспозиции выбирается так, чтобы “белые” участки фотомишени разрядились бы полностью, “серые” – лишь частично, а “чёрные” - остались бы заряженными. Тогда по окончании экспонирования на фотомишени останется рельеф заряда, повторяющий рельеф видимого изображения.

На третьей стадии электронный луч снова сканирует всю поверхность фотомишени попpавилустрочной развертки – точнотакже, какна

266

первойстадии.Разумеется,приэтом всяправаяповерхностьфотомишени приобрететотрицательныйзаряд,а левая– положительный, таккакположительные заряды подтянутся к отрицательным по проводу, связывающему сигнальную пластину с дальнейшей схемой (“выход” на рис. 9.6). Однако третья стадия отличается от первой тем, что некоторые участки фотомишени (“черные” и “серые”) уже заряжены.

Следовательно, при сканировании лучом этих участков дальнейшей зарядки не происходит (или происходит частичная зарядка “серых” участков), электроны не оседают на заряженной поверхности, а по выходному проводу ток не идет. Только в те моменты времени, когда электронный луч пробегает “белые” участки, происходит их зарядка, а на левую часть фотомишени – сигнальную пластину приходят положительные заряды.

Мы пришли к очень важному выводу: при вторичном сканировании фотомишени электроннымлучомпоявляютсяимпульсы тока навыходном проводе, сильные – в “белых” участках, менее сильные – в “серых”, а в “чёрных” – тока практически нет. Значит, этот ток несёт в себе информацию об изображении. Назовем еговидеосигналом. Дальнейшая задача

– усилениевидеосигнала, егомодуляцияи преобразованиев радиосигнал осуществляется с помощью усилителей и радиопередатчика, который передаёт радиосигнал на Землю.

Остается добавить, что в конце каждой строки специальное устройствоформирует особые«строчные»импульсы. Они необходимы длятого, чтобы при расшифровке видеосигнала распознать начало следующей строки и конец предыдущей. Эти импульсы дают возможность синхронизировать работупередающегои приёмногоустройства, поэтомуих назы-

вают «строчными синхроимпульсами».

Трубкам видикон и другим высоковольтным вакуумным фотоэлектрическим преобразователям свойственны такиенедостатки,какбольшой расход электроэнергии, механическая непрочность, малый срок службы, сравнительно большие габариты и масса. Твердотельная техника имеет в этом планесущественное преимущество. Наиболееперспективны многоэлементные твердотельные преобразователи с зарядовой связью (ПЗС).

9.6. Преобразователи с зарядовой связью (ПЗС)

Если в видиконах фотоизображение преобразуется в рельеф сопротивлений, то в ПЗС информацию о фотообразе представляют пакеты

267

носителей зарядов, возникающих в полупроводникепод действием света ихранящихсявпотенциальныхямахвповерхностномслоеполупроводника подслоемдиэлектрика. Нарис.9.8 изображенаПЗС матрицанаструктуре металл – диэлектрик – полупроводник (МДП). Подложкой служит n- полупроводник с основными носителями – электронами. Металл служит внешним электродом. Если к какому-либо из металлических электродов приложен отрицательный потенциал, то основные носители зарядов – электроны уходят от поверхности в глубь полупроводниковой подложки.

У поверхности вблизи этого электрода образуется обеднённая область, представляющая собой потенциальнуюямудля неосновных носителей – дырок. Если вблизи её оказываются неосновныеносители – дырки, то они скапливаются в узком приповерхностном слое. В ПЗС пары

Металлические электроды

1	2	3	4	N-1	N
p+					p+
Полупроводник			n- типа
					Диэлектрик

Рис. 9.8. Структура элемента прибора с зарядовойсвязью

электрон – дырка создаются в результате облучения их светом. Спектральная чувствительность определяется энергией ионизации энергетических уровней полупроводника. Диэлектрик подбирают так, чтобы он обладал достаточной прозрачностью в заданной прибору спектральной области.

Управляяпотенциалами металлических электродов, можноготовить ячейку к приёму сигнала измерительной информации, воспринимать её, хранить информацию в виде пакета зарядов, передавать пакет зарядов в соседниеячейки или передавать информацию в линию связи. При фотографировании объекта облучаются одновременно все ячейки фотомишени, вследствиечегопри одинаковом исходном потенциалеметаллических электродов рельеф фотообраза преобразуетсяв рельеф зарядов фотомишени ПЗС. Далее, чтобы передать полученнуюинформацию, преобразовавеёв видеосигнал, необходимовыполнитьсчитываниеи подготовить фотомишень к следующему сеансу.

268

Работа ПЗС в качествеприёмника фотоизображения может быть представлена тремя режимами: фотографирование, хранениеи считывание.

Врежимефотографированияобъектапотокизлучения(видимогоили ИК)преобразуется в зарядовыепакеты, при этом время экспозиции обеспечивает достаточноепревышениеполезного сигнала надшумом. Вэтом режиме затвор в оптической системе открывается на время экспозиции и на ПЗС, через объектив, проецируется изображение, так же как и у видикона. Если к металлическому электроду приложено отрицательное напряжение,топриоблучениисветомвпотенциальнойямеподэлектродом образуется зарядовый пакет дырок, величина которого пропорциональна интенсивности облучения(рис. 9.9, а).

Далеефоторельеф, преобразованный в потенциальных ямахв рельеф зарядов,хранится, поканебудетвостребован. Срокхраненияинформации в ПЗС ограничен. Невостребованное изображение “стирается”, так как зарядовые пакеты постепенно перемещаются в области с меньшей концентрацией носителей зарядов – дырок.

	Свет -V		МеталлыМеталлы
			Диэлектрик
аa)	+	+	Обедненная
	+	–	область
			–

-V		-V'
	++ +	бб))

	Направление	Полупроводник
	потока
		n- типа	V'=0
V=0	электронов
	-V' электронов	V=0
вв))	+ ++	+	+	г)
				г)

–

Направление потока электронов

Рис. 9.9. Ячейка прибора с зарядовойсвязью а) генерируемые фотонами дырки устремляются в потенциальную яму;

б) процесс передачи зарядовогопакета в соседнюю яму|V‘| > |V|; в) переадресовка закончена; г) ямыисчезают

269

В режиме считывания информации тактовые импульсы заставляют переходить зарядовые пакеты от одной МДП-структуры к другой в зависимостиотпоследовательности считыванияинформациии формирования выходного видеосигнала. Для передачи зарядового пакета необходимо подать на соседний справа электрод больший, чем на первый, отрицательный потенциал, в результатеэтого пакет зарядов (дырок) устремится к нему (рис. 9.9, б). Если снять потенциал с левого электрода, тогда весь пакетперейдет ковторомуправомуэлектроду(рис. 9.9, в), такпроисходит передача зарядового пакета изодной МДПструктуры другой. Если снять потенциал с данного и с соседнего электродов, то дырки переместятся вглубь полупроводника. Потенциал ямы исчезает, сигнал об этом поступает в линию связи, ячейка готова к следующему циклу (рис. 9.9, г). Организованная по заданной программе последовательность тактовых импульсов, поступаяна металлическиеэлектроды,являющиесязатворами МДП ячеек фотомишени, заставляет переадресовывать зарядовые пакеты из одних потенциальных ям в другие, что обеспечивает порядок считывания информации и передачи еёв линию связи.

Возможныразныеспособыорганизации матричных формирователей сигналов изображений на ПЗС и их считывания: кадровая, строчная, строчно-кадровая, адресная. Соответственно способу считывания создаётся последовательность вывода результатов на выходной дисплей на Земле, на котором повидеосигналам воспроизводится изображениеобъекта наблюдения.

9.7. Дешифрирование метеорологической информации на снимках с метеорологических спутников

Метеорологическимдешифрированием космических снимковЗемли называется процесс распознавания облачности, снега, льда и объектов земнойповерхности.Придешифрированииснимковважнополучитьтакие характеристики как количество, тип и высота верхней границы облаков. Основными дешифровочными признаками, позволяющими различать изображения облаков разного типа и земной поверхности, являются яркость (тон) и рисунок (структура) изображения.

Яркость изображения накосмических снимках зависитот рядафизических характеристик объекта. На снимках, полученных в видимом участке спектра, яркость определяется отражательными свойствами объекта и его освещенностью. На инфракрасных снимках яркость изображения

270