ГМИ методичка

затвором, нормальное положение его закрытое.

Задача, которую выполняет видикон – получить электрический сигнал, амплитуда которого была бы однозначно связана с яркостью каждого участка изображения. Очередность передачи устанавливается правилом строчной развертки. Значит, при сканировании ярких участков изображения амплитуда электрического сигнала должна быть большой, а при сканировании темных – малой.

Процесс преобразования изображения в электрический сигнал прохо-

дитвнесколькостадий.Напервой стадии электронныйлучсканируетплоскостьфотомишенипоправилустрочнойразвертки(рис.18.4).

Для этого на отклоняющие пластины необходимо подать напряжения, эпюры которых изображены на рис. 18.5. Ясно, что отношение периодов будет равно числу строк в кадре, которое может быть выбрано достаточно большим.

При сканировании вся левая поверхность фотомишени заряжаетсяотрицательно.Совершенноясно,чтоправаяповерхностьфотомишени, то есть сигнальная пластина, приобретет положительный

Рис. 18.5. Эпюры напряжений на горизонтально отклоняющих пластинах (Uгор.) и вертикально отклоняющих пластинах (Uверт.)

при сканировании фотомишени электронным лучом

271

заряд. Фотомишень можно рассматривать как сумму большого числа элементарных конденсаторов, у которых левые пластины соединены вместе сигнальной пластиной, а правые пластины разобщены. Конденсаторы будут постепенно разряжаться, однако очень медленно, так как сопротивление фотомишени велико.

Вторая стадия процесса состоит в том, что затвор объектива открывается на непродолжительное время. На правой поверхности фотомишени возникает изображение, состоящее из участков разной освещенности. Сопротивление участков фотомишени в направлении перпендикулярном к поверхности окажется обратно пропорционально освещенности. 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 «черных». Фотомишень будет разряжаться. Время экспозиции выбирается так, чтобы «белые» участки фотомишени разрядились бы полностью, «серые» – лишь частично, а «черные» 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 по пpавилу строчной развертки – точно так же, как на первой стадии. Разумеется, при этом вся левая поверхность фотомишени приобретет отрицательный заряд, а правая – положительный, так как положительные заряды подтянутся к отрицательным по проводу связывающему сигнальную пластину с дальнейшей схемой («выход» на рис. 18.3). Однако, третья стадия отличается от первой тем, что некоторые участки фотомишени («черные» и «серые») уже заряжены. Следовательно, при сканировании лучом этих участков дальнейшего заряжения 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 правую часть фотомишени – сигнальную пластину – приходят положительные заряды.

Мы пришли к очень важному выводу: при вторичном сканировании фотомишени электронным лучом появляются импульсы тока на выходном проводе, сильные – в «белых» участках, менее сильные – в «серых», а в «черных» – тока практически нет. Значит, этот

272

Рис. 18.6. Видеосигнал, передаваемый в линию связи

ток несет в себе информацию об изображении. Назовем его видеосигналом (рис. 18.6). Дальнейшая задача – усиление видеосигнала, его модуляция и преобразование в радиосигнал – осуществляется с помощью усилителей и радиопередатчика, который передает радиосигнал на Землю.

Остается добавить, что в конце каждой строки специальное устройство формирует особые «строчные» импульсы. Они необходимы для того, чтобы при расшифровке видеосигнала распознать началоследующейстрокииконецпредыдущей.Этиимпульсыдают возможность синхронизировать работу передающего и приемного устройства, поэтому их называют «строчными синхроимпульсами»

(рис. 18.6).

Трубкам видикон и другим высоковольтным вакуумным фото­ электрическим преобразователям свойственны такие недостатки, как большой расход электроэнергии, механическая непрочность, малый срок службы, сравнительно большие габариты и масса. Твердотельная техника имеет в этом плане существенное преимущество. Наиболее перспективны многоэлементные твердотельные преобразователи с зарядовой связью (ПЗС).

Есливвидиконахфотоизображение преобразуетсяв рельефсопротивлений,товПЗСинформациюофотообразепредставляютпакеты носителей зарядов, возникающих в полупроводнике под действием света и хранящихся в потенциальных ямах в поверхностном слое полупроводника под слоем диэлектрика. На рис. 18.7 изображена ПЗС матрица на структуре «металл – диэлектрик – полупроводник (МДП)».

273

Рис. 18.7. Структура элемента прибора с зарядовой связью

Подложкой служит n-полупроводник с основными носителями – электронами. Металл служит внешним электродом. Если к ка- кому-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 обедненная область, представляющая собой потенциальную яму для неосновных носителей – дырок. Если вблизи ее оказываются неосновные носители – дырки, то они скапливаются в узком приповерхностном слое. В ПЗС пары «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.

Есликметаллическомуэлектродуприложеноотрицательноенапряжение, то при облучении светом в потенциальной яме под электродом образуется зарядовый пакет дырок, величина которого пропорциональна интенсивности облучения (рис. 18.8-а). Для передачи зарядового пакета необходимо подать на соседний справа электрод больший,чемнапервый,отрицательныйпотенциал,врезультатеэтого пакет зарядов (дырок) устремится к нему (рис.18.8-б). Если снять потенциал с левого электрода, тогда весь пакет перейдет ко второму правому электроду (рис. 18.8-в), так происходит передача зарядового пакета из одной МДП структуры другой. Если снять потенциал с данного и соседнего электродов, то дырки переместятся вглубь полупроводника. Потенциал ямы исчезает, сигнал об этом поступает в линию связи, ячейка готова к следующему циклу (рис. 18.8-г).

274

Рис. 18.8. Ячейка прибора с зарядовой связью: а – генерируемые фотонами дырки устремляются в потенциальную яму, б – процесс передачи зарядового пакета в соседнюю яму |V’| > |V|, в – переадресовка закончена, г – ямы исчезают

Организованная по заданной программе последовательность тактовых импульсов, поступая на металлические электроды, являющиеся затворамиМДПячеекфотомишени,заставляетпереадресовыватьзарядовые пакеты из одних потенциальных ям вдругие, что обеспечивает порядок считывания информации и передачи ее в линию связи.

Управляя потенциалами металлических электродов, можно готовить ячейку к приему сигнала измерительной информации, воспринимать ее, хранить информацию в виде пакета зарядов, передавать пакет зарядов в соседние ячейки или передавать информацию в линию связи. При фотографировании объекта облучаются одновременно все ячейки фотомишени, вследствие чего при одинаковом исходном потенциале металлических электродов рельеф фотообраза преобразуется в рельеф зарядов фотомишени ПЗС. Далее, чтобы передать полученную информацию, преобразовав ее в видеосигнал, необходимо выполнить считывание и подготовить фотомишень к следующему сеансу.

275

Работа ПЗС в качестве приемника фотоизображения может быть представлена тремя режимами: фотографирование, хранение

исчитывание.

Врежиме фотографирования объекта поток излучения (видимого или ИК) преобразуется в зарядовые пакеты, при этом время экспозиции, обеспечивает достаточное превышение полезного сигнала над шумом. В этом режиме затвор в оптической системе открывается на время экспозиции и на ПЗС, через объектив, проецируется изображение так же, как и у видикона.

Далее фоторельеф, преобразованный в потенциальных ямах в рельеф зарядов, хранится, пока не будет востребован. Срок хранения информации в ПЗС ограничен. Невостребованное изображение «стирается», так как зарядовые пакеты постепенно перемещаются в области с меньшей концентрацией носителей зарядов – дырок.

Врежиме считывания информации тактовые импульсы заставляют переходить зарядовые пакеты от одной МДП-структуры к другой взависимостиотпоследовательностисчитыванияинформациииформированиявыходноговидеосигнала.Возможныразныеспособыорганизации матричных формирователей сигналов изображений на ПЗС

иих считывания: кадровая, строчная, строчно-кадровая, адресная. Соответственно способу считывания создается последовательность вывода результатов на выходной дисплей на Земле, на котором по видеосигналам воспроизводится изображение объекта наблюдения.

18.3. Дешифрирование метеорологической информации

на снимках с метеорологических спутников

Метеорологическим дешифрированием космических снимков Земли называется процесс распознавания облачности, снега, льда и объектов земной поверхности. При дешифрировании снимков важно получить такие 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 на космических снимках зависит от ряда физических характеристик объекта. На снимках, полученных в видимом участке спектра, яркость определяется отражательными

276

свойствами объекта и его освещенностью. На инфракрасных снимках яркость изображения зависит от температуры поверхности объекта. Тон изображения зависит также и от количества облачности на площади, соответствующей элементу разрешения изображения, адляинфракрасныхснимковиотвысотыверхнейграницыоблаков.

Яркость космических изображений не является сама по себе достаточным дешифровочным признаком, по которому можно отличить на снимке облака от подстилающей поверхности суши и моря. Наиболее информативными являются резкие изменения тона по полю снимка, которые формируют рисунок изображения.

Текстура изображения – это рисунок мелких деталей изображения, создаваемый различием яркости отдельных элементов, размеры которых сравнимы с разрешающей способностью аппаратуры. Различают четыре основных типа текстуры: матовая, зернистая, волокнистая и дендритовая (рис. 18.9).

Матовая текстура характеризуется однородным тоном изображения. Она свойственна изображениям открытых участков водной поверхности, однородных участков суши, сплошных льдов и снежного покрова, тумана и слоистообразной облачности. На ИК снимках матовую текстуру могут иметь кучевые и слоисто-кучевые облака в том случае, когда просветы между облачными элементами меньше элементов разрешения или соизмеримы с ними.

Зернистая текстура – скопление пятен (зерен) светлого тона. Мелкие зерна характерны для изображений кучевообразной облачности, причем размеры зерен в этом случае настолько малы, что детали формы отдельных облаков полностью скрадываются. Иногда зернистую структуру имеет на снимках мелкобитый морской лед;

Рис. 18.9. Основные виды текстуры а – матовая (туман в Северном море

усеверо-восточного берега Англии); б – зернистая (кучевые облака

врайоне реки Обь); в – волокнистая (мощные перистые облака над Польшей);

г– дендритовая (Скандинавские горы, покрытые снегом)

277

для таких изображений характерным признаком является некоторая угловатость и резкость очертаний. Зернистая текстура, как правило, на ИК снимках просматривается плохо.

Волокнистая текстура – волокна, нити, полосы незначительной толщины, но вытянутые в длину на десятки и сотни километров, с размытыми нечеткими краями. Такая текстура характерна для облаков верхнего и среднего ярусов.

Особый тип текстуры свойственен изображению рельефа суши – дендритовая текстура. Она характерна для изображений покрытых снегом гор и равнин с развитой системой рек. На ИК снимках не всегда удается проследить этот вид текстуры.

При дешифрировании космических снимков не всегда удается точно определить формы облаков, из-за фотографического сходства большинства из них между собой. Поэтому в спутниковой метеорологии пользуются условной классификацией. Облака разделяются по создаваемому ими на снимках сходному зрительному эффекту независимо от формы и яруса. По классификации облака разделяются на кучевообразные, слоистообразные, слоисто-кучевообраз- ные, кучево-дождевые и перистообразные.

1) Изображение кучевообразной (рис. 18.10) облачности на снимках создается кучевыми, мощными кучевыми, высококучевыми и перисто-кучевыми облаками. Количество облачности может быть различным, но, как правило, облачность не сплошная. Тон

Рис. 18.10. Кучевообразная облачность

278

изображения отличается большой яркостной неоднородностью, он может колебаться от светло-серого до ярко-белого, причем светлый тон изображения чередуется с более темным. Характерной текстурой изображения являются зернистая или матовая. Матовая текстура наблюдается при большом скоплении кучевых облаков. Яркостный контраст между кучевообразными облаками и подстилающей поверхностью изменяется в широких пределах. На снимках в видимом диапазоне он возрастает при увеличении размеров облачных элементов и их сплоченности, а на снимках в инфракрасном диапазоне – в зависимости от высоты облаков.

На космических снимках кучевообразные облака могут быть беспорядочно разбросаны по полю снимка или организованы в различного вида линии, ячейки, гряды. Весьма четко выявляются на снимках, полученных в видимом участке спектра, влияние горных массивов, возвышенностей, островов, побережий, рек, озер и других ландшафтных особенностей местности на распределение конвективных облаков. Кучевообразная облачность чаще всего наблюдается в областях холодных и окклюдированных фронтов, в тыловых частях циклонов, а также над водной поверхностью и сушей при наличии развитой конвекции.

2) Изображение слоистообразной облачности (рис. 18.11) на снимках создается слоисто-дождевыми, слоистыми, высокослоистыми и плотными перисто-слоистыми облаками. Кроме того

Рис. 18.11. Слоистообразная облачность

279

это некоторые облака (высококучевые и слоисто-кучевые), состоящие из мелких элементов, разделенные пространствами меньше элементов разрешения аппаратуры, могут выглядеть как слоистообразные. Как правило, поля слоистообразной облачности имеют большие горизонтальные размеры.

На снимках, полученных в видимом участке спектра, тон изображения от белого до серого в зависимости от мощности облаков и высоты Солнца. Тон изображения плотных слоистообразных облаков обычно белый, иногда ярко-белый, тонких – светло-серый.

Слоистая облачность часто наблюдается в сочетании с кучевообразной. В этом случае матовый тон изображения, характерный для слоистообразной облачности, будет несколько нарушен вкраплениями зерен или более крупных облачных элементов округлых форм. Нередко в слоистообразную облачность бывают включены кучево-дождевые облака, которые на снимках просматриваются в виде ярко-белых пятен на менее ярком однородном фоне. Иногда присутствие кучево-дождевых облаков можно обнаружить по теням от их вершин выступающих над верхней кромкой слоистообразных облаков.

На инфракрасных снимках слоистообразная облачность выглядит как серая пелена. Если температурный перепад между верхней границейоблаковиподстилающейповерхностьюоченьмал,тонаИК снимках слоистообразную облачность распознать трудно. При мощных приземных инверсиях, возникающих ночью вследствие выхолаживания, верхняя граница слоистообразной облачности имеет более высокую температуру, чем окружающая местность. В этих случаях облака на ИК снимках выглядят темнее безоблачного пространства.

Туман на снимках в видимом участке спектра выглядит в виде сплошного молочно-белого изображения с ровными четкими краями, повторяющими формы рельефа. Адвективный туман над океаном иногда может иметь полосную структуру, напоминающую структуру перистых облаков. Малый температурный контраст между туманами и подстилающей поверхностью очень часто не позволяет по тону изображения отличить туман от других объектов. При сильных ночных инверсиях на ИК снимках туман выглядит темнее безоблачной местности («черный туман»).

3)Изображениюслоисто-кучевообразнойоблачности(рис.18.12) соответствуют слоисто-кучевые облака. Очень часто эта облачность формируется в холодном подинверсионном слое и имеет небольшую вертикальную протяженность. Облачные элементы имеют округлую

280