![](/media/images/top/preview/icpicslivejournalcomvoenny999997819226621922662_800.jpg)
Фоточувствительные КМОП-матрицы
![топ 100 блогов](/media/images/default.jpg)
![Снимок Ðдена.jpg Снимок Ðдена.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1922662/1922662_800.jpg)
Снимок, выполненный микроспутником SkySat-C на КМОП-матрицу с тангажным замедлением примерно в 2,7 раза при включенном оптическом стабилизаторе изображения
В прошлой записи мы немного обсудили устройство фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ФПЗС), и сразу обратили внимание, что в последние 10 лет на низких околоземных орбитах был развернут целый ряд орбитальных группировок микроспутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), у которых в качестве фотоприемных устройств целевой аппаратуры применяются кадровые КМОП-матрицы. Первой стала группировка из американских аппаратов типа SkySat (головной спутник запущен 21.11.2013, скоро юбилей). К настоящему времени на орбите эксплуатируется группировка из 21 такого микроспутника. Вслед за ней были развернуты группировки из спутников BlackSky (США), NuSat (Аргентина), Jilin-1 разных типов (Китай). Счет последних аппаратов уже ведется на сотни. И все эти спутники обеспечивают получение данных ДЗЗ с разрешением лучше 1 м!
Возможность создания таких группировок появилась благодаря использованию КМОП-матриц. Они выгодно отличаются от ФПЗС низкой стоимостью, малым потреблением электрической энергии и простотой управления. Это упрощает и удешевляет создание целевой аппаратуры, вокруг которой строится микроспутник. Строится зачастую с использованием технических решений, аналогичных кубсатам, вспомним «осторожный COТS» - подход разработчиков SkySat. Такое изделие практически готово к серийному производству. А необходимое качество данных ДЗЗ обеспечивается за счет наземной обработки большого количества снимков района интереса, выполненных в ходе пролета и съемки. Это, конечно, негативно сказывается на производительности спутника, но возможность наблюдать заданный район порядка 35 раз в сутки (как Jilin-1) того стоит.
Под катом попробую конспективно изложить найденную информацию о применении КМОП-матриц в ДЗЗ, в первую очередь, на спутниках типа SkySat.
Немного истории
![ÐÐÐÐ_маÑÑиÑа_Ñ_паÑÑивнÑм_пикÑелем.jpg ÐÐÐÐ_маÑÑиÑа_Ñ_паÑÑивнÑм_пикÑелем.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1924765/1924765_800.jpg)
Схема КМОП-матрицы первого поколения, с пассивным пикселем
Как и в случае ФПЗС, все началось с создания в 1959-м году МОП-транзистора. В 60-х годах прошлого века проводились эксперименты по созданию твердотельных фоточувствительных приборов на основе матриц из фотодиодов. Но до появления ПЗС в 1969-м преодолеть несовершенство технологии не удавалось, а затем мир изменился – ФПЗС быстро справились с детскими болезнями и захватили рынок.
Не смотря на успешную работу в самых разнообразных камерах и господство на рынке, у технологии ФПЗС существует ряд недостатков. Необходимость перемещать зарядовые пакеты на расстояния в десятки миллиметров оборачивается очень серьезными требованиями к технологическому процессу создания таких полупроводниковых приборов. Более того, из-за особенностей технологии ПЗС разместить на кристалле микросхемы драйвер, управляющий затворами ФПЗС, или аналого-цифровой преобразователь (АЦП) никак не получалось – это были отдельные микросхемы, что увеличивало габариты изделия. Кроме того, для питания драйвера были необходимы напряжения разной полярности – рядом размещались вторичные источники питания… К концу 1990-х, когда была освоена ультрафиолетовая фотолитография, технология ФПЗС была доведена до совершенства.
Одновременно развивалась КМОП-технология производства микросхем памяти с произвольным доступом к каждой ячейке. Степень интеграции таких приборов превысила миллиард транзисторов на кристалле. Тогда была предложена идея совместить матрицу из фотодиодов с набором считывающих шин и управляющих регистров, аналогичных микросхемам памяти. Идея оказалась плодотворной, так появились КМОП-матрицы с т.н. «пассивным пикселем». Проблема заключалась в большой емкости считывающих шин – заряд, с таким трудом накопленный фотодиодом, при считывании заполнял шину и чувствительность прибора была очень невелика.
В 1993-м году Эрик Р. Фоссам и Сабрина Кемени совершили прорыв в данной области, изобретя т.н. «активный пиксель» - между фотодиодом и шиной был установлен усилитель (истоковый повторитель). Теперь емкость шин считывания стала не важна. Что интересно, технология была реализована через два года фирмой Photobit Corporation – спин-офф’ом знаменитой Лаборатории реактивного движения, JPL. Да, в англоязычной литературе такие матрицы называют CMOS/APS, где APS – Active Pixel Sensor.
30.10.1997 – был запущен экспериментальный микроспутник TEAMSAT, в составе телеметрической системы VTS (Visual Telemetry System) которого впервые в космосе применялись три камеры FUGA15 с КМОП-матрицами формата 512х512 пикселей.
![ÐамеÑа FUGA15.jpg ÐамеÑа FUGA15.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1924157/1924157_800.jpg)
Камера FUGA15
![Снимок камеÑÑ VTS ÐÐ TEAMSAT.jpg Снимок камеÑÑ VTS ÐÐ TEAMSAT.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1919062/1919062_800.jpg)
Снимок, сделанный VTS
10.07.1998 – на ракете-носителе «Зенит-2» в качестве попутной нагрузки с ВНИИЭМовским спутником «Ресурс-О1» № 4 запущен университетский микроспутник TMSat 1, созданный британской компанией SSTL по заказу Университета Маханакорн (Бангкок, Тайланд), оборудованный КМОП-видеокамерой.
![Фоточувствительные КМОП-матрицы MS-Thai-Paht.jpg Фоточувствительные КМОП-матрицы MS-Thai-Paht.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1918890/1918890_600.jpg)
Микроспутник TMSat 1
![Снимок Ðангкока.jpg Снимок Ðангкока.jpg](/images/main/fotochuvstvitelnie-kmop-matrici-7cf933.jpg?from=https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1923122/1923122_100.jpg)
Пишут, что это снимок Бангкока
24.10.1998 – запущена к Луне американская автоматическая межпланетная станция Deep Space 1, созданная JPL, в составе миниатюрной интегрированной камеры-спектрометра MICAS которой также были КМОП-матрицы.
![Фоточувствительные КМОП-матрицы Comet_Borrelly_Nucleus.jpg Фоточувствительные КМОП-матрицы Comet_Borrelly_Nucleus.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1917965/1917965_300.jpg)
Снимок ядра кометы Боррелли, выполненный камерой MICAS
После успешного опыта летной эксплуатации в составе межпланетной станции, созданной по заказу NASA, КМОП-технология устойчиво заняла место под Солнцем. На основе КМОП-матриц были также созданы звездные и солнечные датчики. К слову, камера MICAS работала в качестве звездного датчика после отказа основного прибора.
И просто для оценки достигнутого уровня – снимок радиотелескопа Аресибо, выполненный микроспутником SkySat-С:
![Снимок ÐÑеÑибо.jpg Снимок ÐÑеÑибо.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1923054/1923054_600.jpg)
Активный пиксель
![СÑ
ема пикÑелÑ.jpg СÑ
ема пикÑелÑ.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1917191/1917191_600.jpg)
Схема активного пикселя КМОП-матрицы в кадровым затвором
Светочувствительным пикселем в приборе КМОП является обедненная область обратносмещенного фотодиода. В отличие от ФПЗС с прямой засветкой, в данном случае свет не проходит через систему электродов из поликристаллического кремния, что положительно влияет на квантовую эффективность.
Помимо фотодиода активный пиксель содержит емкость СFD и пять полевых транзисторов. Плавающая диффузная область с малой емкостью СFD служит для хранения накопленного фотодиодом заряда, сигнал ТХ открывает соответствующий транзистор и заряд переносится в емкость. Такой вариант построения позволяет увеличить коэффициент преобразования заряда в напряжение и разделить процессы накопления и хранения заряда по пространству.
Транзистор, затвор которого соединен с точкой М на схеме, работает в качестве усилителя сигнала по току (истокового повторителя). По сигналу ROW (Выбор строки) открывается соответствующий транзистор и выход усилителя соединяется с вертикальной шиной (Col. Sig) для считывания сигнала.
Сигнал RST (Reset, сброс) открывает транзистор, обеспечивающий сброс накопленного емкостью заряда.
Сигнал АВ необходим для реализации кадрового затвора. В ДЗЗ используется только кадровый затвор у КМОП, поэтому на нем остановимся подробнее. В первых поколения КМОП-матриц использовался строковый затвор (rolling shatter), при котором сигнал с матрицы фотодиодов считывался строка за строкой. При съемке движущихся объектов это вызывает искажения изображений, например, вертикальная линия, движущаяся слева направо, будет изображена наклонной. Даже для звездного датчика ST-16 такой вариант оказался проблемным, и при обработке сигналов с матрицы приходилось учитывать угловые скорости космического аппарата. Для съемки же Земли из космоса всегда применяют кадровый затвор (global shatter), когда на момент начала считывания фиксируется сигнал во всех пикселях матрицы. Технология при этом следующая – в момент начала экспозиции на все пиксели подаются сигналы АВ. После окончания экспозиции на все пиксели подается сигнал ТХ – заряд переходит в емкость, которая затем отсекается от фотодиода. Для считывания подается сигнал ROW – емкость через истоковый повторитель подключается к шине, ведущей к усилителю сигнала столбца. После окончания считывания подается сигнал сброса заряда с емкости – RST. Вот так выглядит временная диаграмма:
![ÐÑÐµÐ¼ÐµÐ½Ð½Ð°Ñ Ð´Ð¸Ð°Ð³Ñамма.jpg ÐÑÐµÐ¼ÐµÐ½Ð½Ð°Ñ Ð´Ð¸Ð°Ð³Ñамма.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1923575/1923575_800.jpg)
Завершая рассказ о КМОП-пикселе, стоит отметить, что ввиду применения плавающей диффузной области, считывание сигнала напоминает таковое у ФПЗС и также требует использования схемы двойной коррелированной выборки.
Да, если посмотреть на принципиальную схему пикселя, может показаться, что большую часть в нем занимают транзисторы. На самом деле, разработчики таких микросхем стараются максимально увеличить площадь, которую занимает фотодиод. Все остальные элементы располагаются по краям, а для улучшения использования светового потока над пикселем помещают микролинзу, фокусирующую падающий свет на фотодиоде.
![ÐикÑолинзÑ.jpg ÐикÑолинзÑ.jpg](/images/main/fotochuvstvitelnie-kmop-matrici-6350f2.jpg?from=https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1925246/1925246_300.jpg)
Микролинза над пикселем
КМОП-матрица
![ÐÐÐÐ_маÑÑиÑа_Ñ_акÑивнÑм_пикÑелем_и_одним_ÐЦÐ.jpg ÐÐÐÐ_маÑÑиÑа_Ñ_акÑивнÑм_пикÑелем_и_одним_ÐЦÐ.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1924426/1924426_800.jpg)
Схема КМОП-матрицы с активным пикселем
Помимо матрицы из пикселей микросхема содержит регистр, осуществляющий выбор строки, вертикальные видеошины, соединенные каждая со своим усилителем. С выхода усилителя сигнал подается на аналого-цифровые преобразователи.
Ниже приведена схема КМОП-матрицы CIS2521F формата 2160х2560 пикселей фирмы Fairchild Imaging. Три таких прибора установлены в фокальной плоскости камер космических аппаратов типа SkySat.
![СÑ
ема маÑÑиÑÑ SkySat.jpg СÑ
ема маÑÑиÑÑ SkySat.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1920918/1920918_800.jpg)
Надо сказать, что на этом прогресс в разработке КМОП-матриц не остановился. Существуют приборы, у которых каждый столбец подключен к своему АЦП, что уменьшает частоту работы АЦП в количество столбцов раз. Одновременно сокращается мощность, которую АЦП потребляет. Более того, существуют матрицы с цифровым пикселем (Digital Pixel Sensor), у которых АЦП встроен в каждый пиксель.
Характеристики КМОП-матриц
![СпекÑÑалÑнаÑ_Ñ
аÑакÑеÑиÑÑика_маÑÑиÑÑ.jpg СпекÑÑалÑнаÑ_Ñ
аÑакÑеÑиÑÑика_маÑÑиÑÑ.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1919843/1919843_800.jpg)
Спектральная характеристика микросхемы CIS2521F
Ввиду общности принципа превращения фотонов в сигнал за счет фотоэффекта многие параметры КМОП-матриц идентичным таковым у ФПЗС. Рассмотрим характеристики КМОП-матриц на примере прибора CIS2521, а для ориентировки при сравнении используем ФПЗС типа «Круиз-6», имеющие близкий размер пикселя (6,5 мкм у CIS2521 и 6 мкм у «Круиз-6»). Напомню, что матрицы «Круиз-6» с 2016 года успешно эксплуатируются в составе оптико-электронной аппаратуры «Аврора» космического аппарата «Аист-2Д».
Да, сразу отметим, что сравнивать формат матрицы (2560х2160 пикселей у CIS2521 и 1536х192 пикселя у «Круиз-6») не вполне корректно, ведь КМОП-матрица снимает прямоугольные кадры (точнее, серии кадров), а ФПЗС – работает как линейный сканер, и увеличение количества строк нужно только для увеличения чувствительности, для ВЗН. Сравнивать можно только размер поперек направления полета (столкнулся с выражением «по захвату», мне оно нравится) – видно, что у КМОП количество пикселей в полтора раза больше, значит при прочих равных параметрах корпусов матриц в фокальной плоскости будет в полтора раза меньше.
Вполне можно сравнить зарядовую вместимость (30 тыс. электронов у CIS2521 и 93 тыс. электронов у «Круиз-6»), видно, что по чувствительности ФПЗС находятся впереди, поэтому разработчикам SkySat'ов пришлось изобретать «цифровой ВЗН», о котором ниже. При этом динамический диапазон CIS2521 составляет 83,5 дБ, а у «Круиз-6» он равен 2700 раз или 68,6 дБ.
Квантовая эффективность у кремниевых приборов оказалась ожидаемо близкой – 55 % у КМОП-матрицы и 52 % у ФПЗС.
Темновой ток равен 35 эл./пиксель/сек. у CIS2521 и 4000 эл./сек. у «Круиз-6», корректно сравнить эти параметры не возьмусь.
В целом, приборы, созданные по КМОП-технологии обладают следующими достоинствами:
1. Возможность интеграции на одном кристалле помимо матрицы светочувствительных элементов управляющей электроники, АЦП, контроллеров, преобразующих видеосигнал к стандартным интерфейсам. Это обеспечивает малые габариты камер.
2. Сокращенный диапазон необходимых напряжений (например, для матриц CIS2521 это -0,4; 1,8 и 3,3 В), а также низкое энергопотребление (до 2 Вт при максимальной рабочей частоте). Это упрощает конструкцию камеры и снижает требования к системе электропитания спутника.
3. Электронное регулирование экспозиции, большой динамический диапазон.
4. Возможность съемки видео.
Недостатками КМОП по сравнению с ФПЗС являются:
1. Меньшая чувствительность, особенно по сравнению с ФПЗС, работающими в режиме временной задержки и накопления заряда (ВЗН).
2. Больший уровень шумов ввиду наличия в структуре каждого пикселя 5 транзисторов.
3. Больший разброс параметров пикселей и более сложная радиометрическая калибровка.
А теперь давайте посмотрим, как разработчики спутников SkySat использовали КМОП-матрицы в составе камеры.
Фокальная плоскость
![СÑ
ема_ÑокалÑной_плоÑкоÑÑи_камеÑÑ_SkySat.jpg СÑ
ема_ÑокалÑной_плоÑкоÑÑи_камеÑÑ_SkySat.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1917631/1917631_800.jpg)
Схема фокальной плоскости камеры спутника SkySat
В фокальной плоскости целевой аппаратуры спутников типа SkySat в шахматном порядке расположены три КМОП-матрицы. Верхняя половина каждой матрицы используется для формирования панхроматического изображения, нижняя – закрыта светофильтрами, и используется для съемки в четырех спектральных каналах (голубой, зеленый, красный, ближний инфракрасный). Принцип съемки очень подробно изложен в патенте [3], датированном июлем 2013 года и оттого принадлежащем еще Skybox Imaging Inc. – район интереса многократно снимается в заданных спектральных диапазонах. В работе [4] данный принцип съемки (pushframe) отлично проиллюстрирован на примере съемки движущегося объекта:
![ÐзобÑажение движÑÑегоÑÑ Ð¾Ð±ÑекÑа.jpg ÐзобÑажение движÑÑегоÑÑ Ð¾Ð±ÑекÑа.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1923771/1923771_800.jpg)
Для сложения результирующего изображения были использованы 18 первичных кадров в панхроматическом канале. Для того, чтобы не было недостатка в таких кадрах, панхроматическая половина матрицы разделена на 4 части:
![СÑ
ема маÑÑиÑÑ Ð¸Ð· паÑенÑа.jpg СÑ
ема маÑÑиÑÑ Ð¸Ð· паÑенÑа.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1920613/1920613_800.jpg)
Таким образом, каждый участок местности в панхроматическом канале снимается как минимум четыре раза (на практике 10-20 раз), и потом полученные изображения накладываются друг на друга для совместной обработки по методу сверхразрешения (super-resolution). Да, для получения новой информации из нескольких изображений одного и того же объекта они должны иметь субпиксельный сдвиг друг относительно друга. Но при не идеальной системе ориентации и стабилизации (а у микроспутника она не идеальна) сдвиг получается сам собой.
![ÐеÑодика ÑÑемки ÐÐ SkySat.jpg ÐеÑодика ÑÑемки ÐÐ SkySat.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1925062/1925062_800.jpg)
Получение серии снимков
![Ðаложение_ÑеÑÑÑеÑ
_кадÑов_из_паÑенÑа.jpg Ðаложение_ÑеÑÑÑеÑ
_кадÑов_из_паÑенÑа.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1921144/1921144_600.jpg)
Совместная обработка четырех кадров
«Сверхразрешение» - это вполне технический термин, встречающийся в литературе [5, 6]. Более того, на [5] ссылаются сами разработчики в патенте, а в [6] проанализировано несколько методов получения таких изображений. Разработчики спутников заявляют, что за счет подобной обработки они получают разрешение снимков, равное дифракционному пределу (критерий Релея).
Наверное, здесь стоит упомянуть «цифровой ВЗН» (digital TDI) – способ повышения сигнала и отношения сигнал/шум за счет цифрового суммирования сигналов пикселов последовательности кадров при съемке с очень короткими экспозициями [1]. В случае SkySat съемка выполняется с рабочей частотой 45 Гц (период – 22 мс), при этом экспозиция для отдельного кадра может быть порядка 3 мс. В совместной обработке участвуют 10 – 20 кадров, которые нужно передать на Землю. Конечно, изображения передаются в сжатом виде, но коэффициент сжатия без потерь по алгоритму JPEG2000 (а на SkySat-ах применяется именно он) составляет чуть больше 2 (зависит от сцены). И получается, что поток информации, которую необходимо передать со спутника на наземные станции по сравнению с ФПСЗ вырастает чуть ли не на порядок. Возможности высокоскоростной радиолинии небезграничны, не смотря на использование прогрессивных методов её построения (именно в публикации Planet мне впервые встретился подробный рассказ про использование адаптивных сигнально-кодовых конструкций по стандарту DVB-S2). Отсюда кратное снижение производительности микроспутников с КМОП-камерами по сравнению с традиционными, на базе ФПЗС, которое хорошо проиллюстрировали разработчики спутников WorldView Legion:
![СÑавнение_ÑеÑ
нологий_ÑканиÑованиÑ.jpg СÑавнение_ÑеÑ
нологий_ÑканиÑованиÑ.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1920010/1920010_800.jpg)
Оптическая стабилизация изображений [7]
Шматрица
![Снимок_Ñ_ÐТÐÐ_и_ÐÐÐ_ÑÑабилизаÑоÑом.jpg Снимок_Ñ_ÐТÐÐ_и_ÐÐÐ_ÑÑабилизаÑоÑом.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1919529/1919529_800.jpg)
Снимки с отключенной (слева) и включенной системой стабилизации
Было бы неправильно в рассказе о КМОП-матрицах на примере целевой аппаратуры микроспутников SkySat-C обойти вниманием оптический стабилизатор изображения, установленный на 19 штатных микроспутниках. Это устройство обеспечивает минимизацию смаза изображения, который не должен быть больше, чем один пиксель. Иначе качество изображения резко падает.
Космические аппараты SkySat-C работают на орбитах высотой 450 километров. Для этой высоты орбиты скорость движения подспутниковой точки составляет 7140 м/с. Скорость движения изображения в фокальной плоскости целевой аппаратуры относится к фокусному расстоянию также, как скорость движения подспутниковой точки к высоте орбиты, такая пропорция. Фокусное расстояние камеры SkySat-ов равно 3,6 м, изображение движется по фокальной плоскости со скоростью 57,1 мм/с, т.е. один пиксель за 114 мкс. С таким временем экспозиции не получается обеспечить отношение сигнал/шум, необходимое для получения приемлемого качества изображения. Для сравнения, у ФПЗС «Круиз-6» минимальное количество шагов накопления равно 32, что соответствует экспозиции 4,6 мс при максимальной скорости движения изображения. Согласно [7] рабочее время экспозиции у спутников SkySat-C составляет около 3 мс, поэтому съёмка всегда ведётся в режиме тангажного замедления (в пределе - при съёмке видео - спутник просто отслеживает объект интереса, полностью компенсируя его движение).
Кратно снизить коэффициент тангажного замедления при съёмке (и повысить производительность аппарата) позволило применение оптического стабилизатора. Он создаёт синусоидальные колебания камеры и на время экспозиции компенсирует движение изображения. Результат коллеги проиллюстрировали парой графиков:
![ÐÑноÑиÑелÑное_движение_пÑи_ÑÑемке_кадÑа.jpg ÐÑноÑиÑелÑное_движение_пÑи_ÑÑемке_кадÑа.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1921491/1921491_800.jpg)
Графики движения за счет работы стабилизатора, за счет поворота КА и суммарный. Цветом выделено время экспозиции
![Смаз за вÑÐµÐ¼Ñ ÑÑемки кадÑа.jpg Смаз за вÑÐµÐ¼Ñ ÑÑемки кадÑа.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1922384/1922384_800.jpg)
График суммарного движения за время экспозиции. Видно, что перемещение не превышает одного пикселя
Устройство стабилизатора в статье описано схематично. В качестве датчиков используются четыре акселерометра, закреплённые на камере. Исполнительными органами служит пара электромагнитов, которые перемещают инерционную массу в направлениях "по полету" и "по захвату". Блок электроники управляет частотой, амплитудой и взаимной фазой колебаний исполнительных органов. Частота колебаний близка к 90 Гц - первой резонансной частоте конструкции целевой аппаратуры.
![СÑ
ема демпÑеÑа.jpg СÑ
ема демпÑеÑа.jpg](/images/main/fotochuvstvitelnie-kmop-matrici-a952e7.jpg?from=https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1920427/1920427_300.jpg)
Схема устройства стабилизатора
В статье детально описана калибровка оптического стабилизатора изображения. Сначала производится выбор рабочей частоты: на электромагниты подаются колебания с частотой от 88 до 96 Гц (с шагом в 1 Гц), фиксируется отклик:
![РезÑлÑÑаÑ_ÑнÑÑиÑ_ÐЧХ_опÑиÑеÑкого_ÑÑабилизаÑоÑа.jpg РезÑлÑÑаÑ_ÑнÑÑиÑ_ÐЧХ_опÑиÑеÑкого_ÑÑабилизаÑоÑа.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1922154/1922154_800.jpg)
В результате для каждой оси находят рабочую частоту - она ближе всего к резонансу, именно в этом режиме для колебаний камеры нужны минимальные затраты энергии.
Затем на рабочей частоте фиксируется отклик и находятся зависимости показаний акселерометров от воздействия электромагнитов.
Потом производят поиск передаточных функций от воздействия исполнительных органов к перемещению фокальной плоскости. Для этого выполняется съёмка звёзд (точечных источников света), которые под воздействием колебаний по двум перпендикулярным осям оставляют следы в виде эллипсов. Съёмка выполняется без обратной связи, акселерометры в процессе не участвуют.
![СÑемка звездÑ.jpg СÑемка звездÑ.jpg](/images/main/fotochuvstvitelnie-kmop-matrici-52e1da.jpg?from=https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1917705/1917705_300.jpg)
Съемка звезды при включенных исполнительных органах
Система при малых углах является линейной, поэтому в итоге удается связать управляющие воздействия на электромагниты с движением фокальной плоскости с обратной связью по сигналам акселерометров. Да, при работе по назначению движение приводов выполняется в направлении по полету.
Процесс калибровки полностью автоматизирован, и не требует от оператора глубокого погружения в идентификацию системы автоматического управления движением камеры.
Сравнение работы с включенным и отключённым стабилизатором изображения спутника SkySat-C14 за период с 01.10.2020 по 01.02.2021 показано на графиках:
![ÐÑноÑение Ñигнала к ÑÑмÑ.jpg ÐÑноÑение Ñигнала к ÑÑмÑ.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1921756/1921756_800.jpg)
Увеличение отношения сигнала к шуму
![ÐÑодолжиÑелÑноÑÑÑ_полÑÑениÑ_изобÑажениÑ.jpg ÐÑодолжиÑелÑноÑÑÑ_полÑÑениÑ_изобÑажениÑ.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1921834/1921834_800.jpg)
Уменьшение времени, необходимого для получения изображения
Как видно, включение стабилизатора несколько повышает отношение сигнал/шум и значительно сокращает время, необходимое для получения качественного изображения.
Существуют и другие типы устройств, компенсирующих движение изображения относительно КМОП-матриц. Как и в фототехнике, это может быть перемещение оптического элемента (зеркала или линзы) или перемещение фокальной плоскости целевой аппаратуры с установленными на ней фотоприемными устройствами. Вариант Planet с перемещением инерционной массы кажется предпочтительным, т.к. не вносит в конструкцию целевой аппаратуры никаких дополнительных элементов, что положительно отражается на надёжности.
Наземная обработка изображений
![ТеÑ
Ð½Ð¾Ð»Ð¾Ð³Ð¸Ñ ÑÑпеÑÑазÑеÑениÑ.jpg ТеÑ
Ð½Ð¾Ð»Ð¾Ð³Ð¸Ñ ÑÑпеÑÑазÑеÑениÑ.jpg](https://ic.pics.livejournal.com/voenny/9999978/1918329/1918329_800.jpg)
Технология синтеза изображения высокого разрешения
На земле отдельные кадры обрабатываются по методу сверхразрешения [6]. Обобщенная технология обработки набора изображений одной и той же сцены с субпиксельным сдвигом для достижения сверхразрешения выглядит так. Сначала производится оценка параметров межкадрового движения сцены. С помощью полученных оценок неоднородно распределенные пиксели размещаются на координатной сетке изображения с высоким разрешением. Затем при помощи интерполяции вычисляются значения равномерно распределенных пикселей с высоким разрешением. Параллельно по имеющимся изображениям производится оценка частотно-шумовых искажений (на схеме показано изображение функции рассеяния точки). После этого производится восстановление изображения при помощи обратной свертки.
В работе [5] показано, что обработка изображений при помощи итерационного метода IBP (Iterative BackProjection) позволяет повысить разрешение для слабоконтрастных объектов до 30 %.
Разработчики современных космических систем дистанционного зондирования Земли помимо обработки изображений при помощи деконволюции (обратной свертки), зачастую применяют нейросетевые методы. Нейросети для меня - область, которую только предстоит изучить, ограничусь только ссылкой на аннотацию статьи [8] группы коллег из китайской компании Chang Guang Satellite Technology Ltd. - создателей микроспутников Jilin-1 GF06А, которые при массе 22 кг выполняют съёмку с субметровым разрешением. Правда, для меня остается загадкой возможность абсолютной радиометрической калибровки тракта получения изображения, в котором есть блоки сверхразрешения и нейросетевой обработки.
Заключение
Благодаря развитию КМОП-матриц в дистанционном зондировании Земли появилось направление микроспутников, выполняющих съемку с высоким разрешением. Сейчас мы наблюдаем развертывание группировок из десятков или даже сотен таких аппаратов. Недостаток применения КМОП – меньшая производительность космического аппарата – успешно перекрывается за счет большого числа спутников и возможности почти непрерывного наблюдения заданного района интереса.
В России данные явления, безусловно, видят и анализируют [1, 9, 10]. В июне 2023 года на конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» слышал доклад представителей АО «Российские космические системы» о планах использовать КМОП-матрицы в новой камере, которая впоследствии будет применяться на космических аппаратах системы «Сфера».
Если говорить о фотоприемных устройствах вообще, то КМОП-матрицы успешно захватывают рынок: такие производители, как Sony и ON Semicondutor полностью прекратили производство ФПЗС.
Дополнения, уточнения и исправления всячески приветствуются.
Литература
1. А.И. Бакланов «От фотоприемника к космической системе сверхвысокого разрешения» / С. 21 - 32. pdf
2. Твердотельная революция в телевидении: Телевизионные системы на основе приборов с зарядовой связью, систем на кристалле и видеосистем на кристалле / В.В. Березин, А.А. Умберталиев, Ш.С. Фахми, А.К. Цыцулин, Н.Н. Шипилов; под ред. А.А. Умберталиева и А.К. Цыцулина. – М.: Радио и связь, 2006. – 312 с., ил. – ISBN 5-256-01814-0.
3. Патент США US 8,487,996 В2 Systems and Methods for Overhead Imaging and Video. 16.07.2013. pdf
4. P. d'Angelo, G. Kuschk, P. Reinartz Evaluation of Skybox Video and Still Image Products / The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XL-1, 2014, ISPRS Technical Commission I Symposium, 17 – 20 November 2014, Denver, Colorado, USA pdf
5. S. Farsiu, D. Robinson, M. Elad, P. Milanfar «Advances and Challenges in Super-Resolution» / Wiley Periodicals, 2004, vol. 14, p. 47 – 57. pdf
6. А.В. Ращупкин «Методы обработки данных дистанционного зондирования для повышения качества выходных изображений» / «Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета». № 2. 2010. – С. 124 – 132. html
7. P. Linden, N. Smith, T. Rohrbach Automatic Optical Stabilization System Calibration, Validation and Performance for the SkySat Constellation / 35th Annual Small Satellite Conference, SSC-21-VII-05. pdf (под VPN)
8. Wang Chao, Zhu Ruifei, Bai Yang, Zhang Peng, Fan Haiyang «Single-frame super-resolution for high resolution optical remote-sensing data products» / International Journal of Remote Sensing, 2021. html
9. Анализ мировых тенденций развития фотоприемных устройств в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов. Часть 1. Применение КМОП-технологии в аэрокосмической технике. Медведева А.И., Пластинин Ю.А., Скрябышева И.Ю., Сырых Ю.П., Федотов А.П. / «Космонавтика и ракетостроение». 2021. № 1 (118). С. 151-162. pdf, см. стр. 34
10. Анализ мировых тенденций развития фотоприемных устройств в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов. Часть 2. Современные КМОП-приемники излучения для космического базирования. Медведева А.И., Пластинин Ю.А., Скрябышева И.Ю., Сырых Ю.П., Федотов А.П. / «Космонавтика и ракетостроение». 2021. № 2 (119). С. 173-186. pdf, см. стр. 29
Изображения взяты из публикаций и сети интернет.
|
</> |