Nghiên cứu về quá trình giám sát, xác định vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo và công nghệ chụp ảnh quang học sử dụng trên vệ tinh quan sát trái đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM VĂN HỒNG NGHIÊN CỨU VỀ QUÁ TRÌNH GIÁM SÁT, XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ CỦA VỆ TINH TRÊN QUỸ ĐẠO VÀ CÔNG NGHỆ CHỤP ẢNH QUANG HỌC SỬ DỤNG TRÊN VỆ TINH QUAN SÁT TRÁI ĐẤT Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học TS BÙI TRỌNG TUYÊN HÀ NỘI - 2013 LỜI CAM ĐOAN Với giúp đỡ hướng dẫn TS Bùi Trọng Tuyên, luận văn sản phẩm q trình tìm tịi, nghiên cứu tác giả vấn đề đặt luận văn Mọi số liệu, quan điểm, phân tích, đánh giá, kết luận tài liệu nhà nghiên cứu khác trích dẫn theo quy định Vì vậy, tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng mình, chưa chép hay công bố tài liệu Hà nội, tháng 04 năm 2013 Tác giả PHẠM VĂN HỒNG LỜI CẢM ƠN Với tình cảm chân thành, tác giả xin chân thành cảm ơn TS Bùi Trọng Tuyên, người trực tiếp hướng dẫn dành nhiều thời gian, công sức để dẫn ,giúp đỡ tác giả hồn thành luận văn Tơi bày tỏ long biết ơn tập thể Thầy Cô giáo, giảng viên viện Điện Tử Viễn Thông Trường ĐHBK Hà Nội tham gia giảng dạy lớp Cao học khóa 2010B, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Cảm ơn thầy cô hội đồng bảo vệ tạo điều kiện giúp đỡ cho tơi hồn thành nhiệm vụ Tơi xin gửi lời cảm ơn tồn thể bạn bè, đồng nghiệp gia đình quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trình thực hoàn thành luận văn Hà Nội, tháng năm 2013 Tác giả Phạm Văn Hồng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VỆ TINH QUAN SÁT TRÁI ĐẤT 1.1 Những lợi ích từ việc quan sát trái đất từ vệ tinh 1.2 Giới thiệu chung phân loại thiết bị vệ tinh viễn thám .5 1.2.1 Giới thiệu chung 1.2.1.1 Các thiết bị chụp ảnh (Imagers) 1.2.1.2 Các thiết bị đo xạ (Radiometers) .6 1.2.1.3 Các thiết bị đo quang phổ hình ảnh (Spectrometer) 1.2.1.4 Các thiết bị khác .7 1.2.2 Phân loại .10 1.2.2.1 Phân loại theo đặc tính (nguồn thơng tin) 10 1.2.2.2 Phân loại theo chức 10 CHƯƠNG II: GIÁM SÁT, XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VỆ TINH TRÊN QUỸ ĐẠO 11 2.1 Hệ tọa độ 11 2.1.1 Hệ tọa độ quán tính trung tâm Trái Đất ECI (Earth Centered Inertial) 11 2.1.2 Hệ tọa độ địa lý (Geographic Coordinate System) 11 2.1.3 Hệ tọa độ góc ngẩng góc phương vị (Azimuth Elevation Coordinate System)12 2.2 Quỹ đạo vệ tinh 13 2.3 Cơ học quỹ đạo 18 2.3.1 Định luật Kepler 18 2.3.2 Định luật Newton 18 2.4 Sức hút hấp dẫn không cầu Trái Đất 22 2.5 Tính tốn quỹ đạo vệ tinh 23 2.6 Các phép chuyển tọa độ 29 2.6.1 Chuyển từ hệ tọa độ ECI(x,y,z) hệ tọa độ Kinh độ, Vĩ độ 29 2.6.2 Chuyển từ hệ tọa độ Kinh độ- Vĩ độ sang Hệ tọa độ vị trí quan sát 30 CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT CHỤP ẢNH QUANG HỌC SỬ DỤNG TRÊN CÁC VỆ TINH QUAN SÁT TRÁI ĐẤT 31 3.1 Các phương pháp chụp ảnh 31 3.1.1 Phương pháp Pushbroom 31 3.1.2 Phương pháp Whiskbroom .32 3.2 Các tiêu chí đánh giá chất lượng ảnh .34 3.2.1 Hàm chuyển đổi MTF 34 3.2.1.1 Khái niệm chung 34 3.2.1.2 Khoảng Sp tần số không gian V 35 3.2.1.3 Tần số cắt Vc 36 3.2.1.4 Tần số Nyquist VN 37 3.2.1.5 Tần số sử dụng tối đa Vu .37 3.2.2 Tỉ lệ tín hiệu nhiễu SNR .38 3.2.2.1 Tính tốn thời gian quan sát “δTint” 39 3.2.2.2 Nhiễu tín hiệu 42 3.2.2.3 Tỷ số SNR 48 3.2.2.4 Ví dụ tính tốn SNR thiết bị chụp ảnh HRG vệ tinh SPOT .48 3.3 Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng ảnh 50 3.3.1 Sự méo ảnh gây thiết bị chuyển động vệ tinh 50 3.3.1.1 Méo gây nên vấn đề quang học .50 3.3.1.2 Méo gây máy quét 52 3.3.1.3 Méo gây vệ tinh 53 3.3.2 Những tác nhân ảnh hưởng đến chất lượng ảnh .54 3.3.2.1 Cảnh quan khí 55 3.3.2.2 Chức lan truyền điểm ánh sáng bề mặt sóng 55 3.3.2.3 Ảnh hưởng quang sai che khuất 56 3.3.2.4 Ảnh hưởng sai sót (khiếm khuyết) sản xuất 58 3.3.2.5 Ảnh hưởng chuyển động tuyến tính 58 3.3.2.6 Lấy mẫu 60 3.4 Một số ví dụ minh họa .62 3.4.1 Thiết bị chụp ảnh HRG SPOT 62 3.4.1.1 Bộ phận quang học 62 3.4.1.2 Mặt phẳng tiêu cự 63 3.4.1.3 Đánh giá chất lượng hình ảnh 63 3.4.2 Máy đo quang phổ tạo ảnh độ phân giải thấp 64 3.4.3 GOMOS/ENVISAT .67 3.4.4 Máy đo quang phổ tia cực tím Lyman/FUSE 70 CHƯƠNG IV: KỸ THUẬT CHỤP ẢNH TDI .72 4.1 Tóm tắt 72 4.2 Mô tả chi tiết 73 4.3 Tính tốn độ khuyếch đại tín hiệu sử dụng TDI 82 4.3.1 Giới thiệu .82 4.3.2 Ảnh TDI 82 4.3.3 Các công cụ tiêu chuẩn để tính tốn hệ số chuyển đổi 83 4.3.3.1 Đường cong chuyển đổi photon .83 4.3.3.2 Hệ sống chuyển đổi xác định ảnh phẳng ảnh chéo 84 4.3.4 Đường chuyển đổi quang từ ảnh TDI, khuyếch đại 85 4.3.4.1 Đường cong chuyển đổi photon với ảnh TDI .85 4.3.4.2 Đường cong chuyển đổi photon với ảnh TDI 86 4.3.5 Kết so sánh 87 4.3.5.1 Kết 87 4.3.5.3 So sánh 87 4.3.6 Kết luận 89 CHƯƠNG V: MỘT SỐ ĐỀ XUẤT CHO VNREDSAT-1 91 5.1 Đề xuất quỹ đạo 91 5.2 Đề xuất hệ thống quang học cho thiết bị chụp ảnh quang học 93 5.3 Đề xuất đầu thu CCD .98 KẾT LUẬN 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ADU CCDs CTE CZCS EIT ESA FOV GOMOS HF HRG IASI IFOV LEO LF Lidar MODIS MOLA MTF ODT PRNU PSF QE Radar RGB RMS SNR SOHO SPOT TDI UV WFE Analog Digital Unit charge-coupled device Charge Transfer Efficiency Coastal Zone Color Scanner Extreme ultraviolet Imaging Telescope European Space Agency Field of view Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars High Frequency High Resolution Geometric Infrared Atmospheric Sounding Interferometer instantaneous field of view Low Earth Orbit Low Frequency Light Detection And Ranging MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer Mar Observer laser Modulation Transfer Function Optical Detector Team Photon Response Non-Uniformity point Spread Function Quantum Efficiency Radio Detection And Ranging Red Green Blue Root Mean Square Signal-to-noise ratio Solar and Heliospheric Observatory Satellites Pour l’Observation de la Terre or Earthobserving Satellites Time Delay and Integration Ultra Violet Wave Front Error DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Đưa vài thông số bổ sung nhiễu tổng cộng máy đo HRG cho băng quang phổ khác mức tín hiệu khác 49 Bảng 3.2: Các thông số ảnh hưởng đến MTF 56 Bảng 3.3: Các giá trị ước lượng yếu tố gây suy giảm MTF cho thiết bị HRG sau điều chỉnh lại 64 Bảng 4.1: Ước lượng hệ số chuyển đổi dung phương pháp khác Trong cột thống kê độ khuyếch đại tính tốn với ảnh TDI, cột với ảnh TDI, cột kết dùng kỹ thuật chuyển đổi photon 89 Bảng 5.1: Tần số lấy mẫu Nyquist 96 Bảng 5.2: Chuẩn hóa tần số cắt lấy mẫu 97 Bảng 5.3: Tính tốn MTF với kích thước gương lấy sáng có đường kính 200mm 98 Bảng 5.4: Thơng số đề xuất sử dụng vệ tinh VNREDSat-1 99 Bảng 5.5: Tính tốn chi tiết tỉ lệ tín hiệu nhiễu SNR 100 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Một thiết bị hoạt động vùng ánh sáng nhìn thấy: SPOT - thiết bị vệ tinh HRG Hình 1.2: Một thiết bị hoạt động vùng cực tím Hình 1.3: Bốn hình ảnh mặt trời ứng với bước sóng khác Hình 1.4: Hình ảnh đa phổ Hình 1.5: Phổ tạo tầng khí vùng 3-15um Hình 1.6: Nhiệm vụ thiết bị dùng vệ tinh Hình 2.1: Hệ tọa độ địa lý 12 Hình 2.2: Hệ tọa độ góc ngẩng góc phương vị 13 Hình 2.3: Các thành phần quỹ đạo vệ tinh khơng gian 14 Hình 2.4: Độ lệch phải độ lệch thiên đỉnh 15 Hình 2.5: Vị trí hệ số lệch tâm 16 Hình 2.6: Chuyển động tương đối hai vật thể 20 Hình 2.7: Quỹ đạo elip 21 Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động 31 Hình 3.2: Quét điện tử: Nguyên lý quan sát Pushbroom 32 Hình 3.3: Nguyên lý hoạt động máy quét 33 Hình 3.4: Khả phân giải hai điểm ảnh 34 Hình 3.5: Nhiễu xạ mẫu hay hàm trải điểm (PSF) ánh sáng không kết hợp 34 Hình 3.6: Sự mơ tả tốn học ảnh phân tích dạng chuỗi Fourier 36 Hình 3.7: Những định nghĩa tần số cắt sơ đồ điều chế hàm chuyển đổi thiết bị quang lý tưởng 38 Hình 3.8: Ngun tắc phân tích ảnh máy quét 40 Hình 3.9: Đo quét xạ 41 Hình 3.10: Hình dạng ảnh 42 Hình 3.11: Sơ đồ tương đương mạch điện phát sinh nhiễu tán sắc gây điện tử máy quét ảnh 43 Hình 3.12: Méo gây nên thiết bị quang: Độ dốc hình dạng ảnh điểm tác động trường tia 50 Hình 3.13: Kiểu méo thiết bị quang 51 Hình 3.14: Méo tần số cao - Những khuyết tật dọc theo trục tung (μm); điểm trường dọc theo trục hoành (mm),trên ma trận CCD (đường cong mở rộng từ việc đo đạc ống kính với góc rộng 52 Hình 3.15: Một dị kép hình chữ nhật thu mặt đất thơng qua thiết bị quang gương thiết bị 52 Hình 3.16: Méo dạng hình ảnh 54 Hình 3.17: Hệ thống ảnh 55 Hình 3.18: Sóng lỗi ban đầu (WFE), Hàm trải điểm ( PSF) Hàm chuyển đổi điều chế 56 Hình 3.19: Chức chuyển điều chế (MTF) có tính đến quang sai che khuất trung tâm Hình bên trái: ảnh hưởng che khuất trung tâm, hình bên phải: kết hợp ảnh hưởng quang sai hình cầu phân kì 57 Hình 3.20: Chuyển động vệ tinh vết chuyển động PSF 59 Hình 3.21: Chuẩn hóa khơng gian tần số 59 Hình 3.22: Hàm lan truyền CCD điển hình với mảng tuyến tính sử dụng 61 Hình 3.23: Bộ phận quang học camera HRG kính thiên văn gắn vệ tinh SPOT 63 Hình 3.24: Đồ hình đường tia sáng cho ống kính máy đo “Vegetation” 66 Hình 3.25: Cấu hình tổng quát tải tin Vegetation 66 Hình 3.26 :Cấu trúc hỗ trợ ống kính chế hiệu chuẩn 67 Hình 3.27: Mơ hình quang học thiết bị hiệu chuẩn 67 Hình 3.28 : Khe hở đầu vào GOMOS 68 Hình 3.29: Mơ hình quang học máy đo quang phổ tạo ảnh GOMOS 69 Hình 3.30: Đồ hình Rowland - Lyman/FUSE 71 Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống chụp ảnh để tạo hình ảnh vi mảng 73 nhiễu làm mịn chuyển tiếp nạp, ảnh hưởng tổng số nhiễu (xem ví dụ, hình 4.9) Hình 4.9 cho thấy tỷ lệ phương sai xác định dòng theo phương pháp dựa hai ảnh TDI Hình 4.9: Ví dụ đường cong chuyển photon thực với hai hình ảnh TDI Hình 4.10: Các đường cong chuyển photon (phương sai so với tín hiệu trung bình) CCD thu cách sử dụng kỹ thuật dựa hai ảnh TDI 88 Đồ thị rõ ràng cho thấy diện khơng tuyến tính Trước tiên ước lượng tuyến tính dựa nửa ( 32.000 ADU) tín hiệu liệu kết tương tự đạt với phương pháp đường cong chuyển photon chuẩn Bảng 4.1: Ước lượng hệ số chuyển đổi dung phương pháp khác Trong cột thống kê độ khuyếch đại tính tốn với ảnh TDI, cột với ảnh TDI, cột kết dùng kỹ thuật chuyển đổi photon 4.3.6 Kết luận Chương mô tả kỹ thuật cho việc ước tính nhanh hệ số chuyển đổi CCD Phương pháp dựa đường cong chuyển photon điều chỉnh với hai ảnh TDI Kỹ thuật thử nghiệm liệu thực ESO Garching Optical Detector Team (ODT) để mô tả CCD OmegaCAM Ảnh TDI thực q trình thử nghiệm để có tuyến tính chip Các kết sơ đạt xác định độ khuyếch đại cách sử dụng liệu hứa hẹn Chúng phù hợp với kết thu từ 89 phương pháp tính tốn tiêu chuẩn độ khuyếch đại Kỹ thuật phát triển chương thuận lợi sử dụng ESO Testbench mà khơng cần có thay đổi nào, cung cấp nhiều điểm cho đường chuyển đổi photon, (ở khoảng 400 điểm cho đồ thị so với ~ 20 thơng thường) ngồi ra, chứng minh nhanh chóng Chỉ có hai ảnh TDI ảnh trường phẳng, cần thiết, u cầu phải tính tốn yếu tố chuyển đổi Khi tính tốn độ khuyếch đại dựa kỹ thuật nhanh so với tiêu chuẩn, thích hợp để sử dụng q trình điều chỉnh CCD (tức điện áp điều chỉnh) Kỹ thuật này, công việc cần thiết để cải thiện nó, chứng minh đáng tin cậy sử dụng đơn giản hiệu để tính tốn độ khuyếch đại CCD 90 CHƯƠNG V MỘT SỐ ĐỀ XUẤT CHO VNREDSat-1 5.1 Đề xuất quỹ đạo Các vệ tinh nhỏ quan sát trái đất vệ tinh VNREDSat-1 có nhiệm vụ chụp ảnh bề mặt trái đất với yêu cầu sau: • Độ phân giải cao: khoảng cách lấy mẫu mặt đất nhỏ • Độ rộng vết chụp mặt đất khoảng vài chục km • Có khả chụp ảnh toàn bề mặt trái đất • Chụp ảnh bề mặt trái đất điều kiện ánh sáng thuận lợi cho việc thu thập thông tin từ ảnh • Có khả chụp lại khu vực bề mặt trái đất khoảng thời gian không dài Từ yêu cầu vệ tinh nhỏ quan sát đất, phần lớn vệ tinh thuộc loại hoạt động quỹ đạo đồng mặt trời Quỹ đạo đồng mặt trời dạng quỹ đạo cực có cao độ thấp, có góc hợp mặt phẳng quỹ đạo đường nối tâm trái đất: mặt trời không đổi Quỹ đạo đồng mặt trời có ưu điểm sau: • Là quỹ đạo có cao độ thấp khoảng từ 600-800km nên phù hợp với thiết bị chụp ảnh quang học độ phân giải cao có trường nhìn khoảng vài độ độ phân giải góc khoảng vài arcsec, tương ứng với khoảng cách lấy mẫu mặt đất từ vài đến vài chục mét • Là quỹ đạo cực nên có khả chụp ảnh tồn bề mặt trái đất • Do góc hợp mặt phẳng quỹ đạo đường nối tâm trái đất: mặt trời không đổi không đổi nên vị trí mà vệ tinh chụp ảnh, điều kiện ánh sáng không đổi lần chụp ảnh khác Giờ địa phương vị trí chụp ảnh chọn để chất lượng ảnh thu tốt • Kết hợp với khả tự điều khiển tư vệ tinh, vệ tinh chụp lại khu vực bề mặt trái đất vòng từ vài ngày đến vài chục ngày 91 Do quỹ đạo đồng mặt trời có nhiều ưu điểm cho nhiệm vụ chụp ảnh quan sát trái đất vậy, nên quỹ đạo đề xuất cho vệ tinh quang học quan sát trái đất VNREDSat-1 quỹ đạo đồng mặt trời, với thơng số sau: • Cao độ quỹ đạo 680km để đáp ứng yêu cầu độ phân giải kênh toàn sắc 2.5m, độ phân giải kênh đa phổ 10m theo công thức: H altitude GSD = f pixelsize • Giờ địa phương vị trí vệ tinh Ascending node khoảng từ 10h-11h sáng để đảm bảo điều kiện chiếu sáng tốt: ánh sáng ban ngày, góc chiếu mặt trời xiên để tạo bóng đổ, thời gian quang ngày • Thời gian chụp lặp lại: ngày • Thời gian vệ tinh lặp lại quỹ đạo: 29 ngày Hình minh họa khu vực bề mặt trái đất có khả chụp lặp lại sau tối thiểu ngày Các dần màu xanh vùng có khả chụp lặp lại sau ngày so với vùng dần màu đỏ 92 Hình 5.1: Minh họa khu vực vùng lãnh thổ Việt Nam có khả chụp lặp lại 5.2 Đề xuất hệ thống quang học cho thiết bị chụp ảnh quang học Thiết bị chụp ảnh quang học vệ tinh VNREDSat-1 hoạt động theo nguyên lý quét: đẩy (pushbroom), thiết kế hệ thống quang học phù hợp với nguyên lý hoạt động ngày thiết bị chụp ảnh Việc lấy mẫu theo hàng thực cách lấy mẫu qua điểm ảnh đầu thu Việc lấy mẫu theo cột thực cách đọc tín hiệu từ điểm ảnh hàng sau khoảng thời gian định vệ tinh bay qua vệt mặt đất Để đảm bảo chất lượng ảnh hiệu hoạt động thiết bị, hệ thống quang học đề xuất sử dụng VNREDSat-1 nên hệ thống quang học với thiết kế sử dụng rộng rãi phổ biến vệ tinh nhỏ quan sát trái đất có tính năng, hiệu chức tương đương với VNREDSat-1 93 Tại cao độ quỹ đạo từ 680km, vết chụp mặt đất khoảng 15-20km, trường nhìn thiết bị quang học vào khoảng vài độ Đồng thời, từ cao độ 680km, ảnh có độ phân giải 2.5m kênh PAN, tiêu cự hiệu dụng hệ thống quang học vào khoảng 3-4m Với tỉ lệ tiêu cự kích thước hệ thống quang học vậy, hệ thống quang học phù hợp cho VNREDSat-1 kính viễn vọng phản xạ gương phi cầu chỉnh quang sai, xếp theo cấu hình đồng trục Korsch Thiết kế hệ thống quang học có ưu điểm sau nhiệm vụ chụp ảnh quan sát trái đất VNREDSat-1 • Sử dụng hoàn toàn tượng phản xạ qua gương phi cầu, khơng có q trình khúc xạ qua hệ thống quang nên giảm thiểu tượng quang sai tán sắc ánh sáng • Thiết kế hệ quang học đồng trục nên kích thước hiệu dụng hệ quang học nhỏ gọn, đơn giản • Sử dụng gương phi cầu nên giảm thiểu loại bỏ tượng quang sai cầu, quang sai vệt quang sai trục Do tượng quang sai nói bị loại bỏ nên hàm truyền modun suất phân giải hệ quang học đạt đến gần giới hạn nhiễu xạ Hình mơ tả cấu hình quang trình kính viễn vọng ba gương Korsch Hình 5.2: Mơ tả cấu hình quang trình kính viễn vọng ba gương Korsch 94 Hai thông số hệ quang học tiêu cự hiệu dụng kích thước gương lấy sáng tính tốn sau: • Tiêu cự hiệu dụng: 3200 (mm) • Kích thước gương lấy sáng: 200 (mm) Việc tính tốn thơng số hệ quang học để đảm bảo yêu cầu chất lượng hệ quang học, thể qua thông số hàm truyền modun Hàm truyền modun MTF hệ quang học cao, hệ quang học có khả tái tạo độ nét độ tương phản tần số không gian cao Độ rộng vệt chụp mặt đất vệ tinh 17.5 (km) Yêu cầu khoảng cách lấy mẫu mặt đất kênh PAN 2.5 (m), tương ứng với 7000 điểm ảnh đầu thu kênh PAN, kích thước điểm ảnh 12x12 (µm2) Yêu cầu khoảng cách lấy mẫu mặt đất kênh MS 10 (m), tương ứng với 1750 điểm ảnh đầu thu kênh MS, kích thước điểm ảnh 48x48 (µm2) Sử dụng cơng thức tính tiêu cự hiệu dụng từ cao độ quỹ đạo, khoảng cách lấy mẫu mặt đất kích thước điểm ảnh: H altitude GSD = f pixelsize Có thể tính tiêu cự hiệu dụng hệ thống quang học 3264 (mm) Từ tiêu cự hiệu dụng hệ thống quang học, với khoảng cách lẫy mẫu mặt đất kênh PAN MS tương ứng 2.5 (m) 10 (m), tính tần số lẫy mẫu tần số Nyquist hai kênh PAN MS tương ứng bảng 95 Bảng 5.1: Tần số lấy mẫu Nyquist Các tần số lấy mẫu Nyquist hệ thống Kênh Không gian vật Không gian ảnh MS Đơn vị tuyến Đơn vị góc Đơn vị tuyến tính Đơn vị góc tính (radSamling 0.1 (cycle/m) 1x10-05 (rad-1) 20 (cycle/mm) 1x10-05 1) (radNyquist 0.05 (cycle/m) 7x10-06 (rad-1) 10 (cycle/mm) 7x10-06 1) Kênh PAN Samlin g Nyquist Các tần số lấy mẫu Nyquist hệ thống Không gian vật Khơng gian ảnh Đơn vị tuyến Đơn vị góc Đơn vị tuyến tính Đơn vị góc tính 3x10(rad(cycle/mm 3x10(rad0.4 (cycle/m) 83 06 06 1) ) 1) 1x10(rad(cycle/mm 1x10(rad0.2 (cycle/m) 42 06 06 1) ) 1) Yêu cầu hàm truyền modun với vệ tinh nhỏ quang học quan sát trái đất hoạt động quỹ đạo có cao độ thấp VNREDSat-1 thường vào khoảng 0.1 Yêu cầu hàm truyền modun yêu cầu hàm truyền modun tổng cộng tồn hệ thống, có hàm truyền modun thành phần Hàm truyền modun tổng cộng tích hàm truyền modun thành phần Quỹ MTF Yêu cầu MTF 0.1 MTF rung lắc 0.95 MTF quét ảnh 0.6 Cửa sổ CCD 0.6 Độ phủ CCD 0.9 MTF quang học 0.3 96 Như với thơng số MTF thành phần có giá trị thông thường rơi vào khoảng giá trị cho bảng trên, yêu cầu MTF hệ thống quang học 0.27 Hệ thống quang học VNREDSat-1 kính viễn vọng Korsch gương đồng trục nên có gương cản sáng trung tâm Trong trường hợp này, để tính tốn MTF cho hệ thống quang học cần xem xét đến ảnh hưởng gương cản sáng trung tâm Tần số cắt hệ thống quang học tính theo cơng thức f cutoff = D f w Với D kích thước (đường kính) gương lấy sáng, f tiêu cự hiệu dụng hệ thống quang học, w bước sóng trung tâm kênh phổ lấy mẫu Với kích thước gương lấy sáng 200, tính tần số cắt tần số lấy mẫu chuẩn hóa hệ thống sau: Bảng 5.2: Chuẩn hóa tần số cắt lấy mẫu Băng phổ PAN RED GREEN BLUE NIR 102 92 108 125 74 0.2 0.2 0.7 0.6 0.2 Tần số cắt (trong khơng gian ảnh) Tần số lấy mẫu chuẩn hóa (cycle/mm) MTF gây nhiễu xạ tính từ tần số lấy mẫu chuẩn hóa theo cơng thức dưới: MTFdiff = 2θ − sin (2θ ) π , Với cos(θ ) tần số lấy mẫu chuẩn hóa Trong trình vệ tinh hoạt động, MTF hệ thống bị suy hao yếu tố như: già hóa lớp coating bề mặt gương, giãn nở, biến dạng gương nhiệt, thay đổi vị trí tương đối gương rung lắc Do 97 vậy, để tính toán MTF hệ thống thời điểm đầu, cần xem xét đến ảnh hưởng suy hao MTF Các tính tốn MTF hệ thống với kích thước gương lấy sáng có đường kính 200mm cho bảng dưới: Bảng 5.3: Tính tốn MTF với kích thước gương lấy sáng có đường kính 200mm Đường kính 200 (mm) 0.2 PAN REG Tần số cắt (không gian ảnh) 102 92 Tần số lấy mẫu chuẩn hóa 0.2 2*theta MTF nhiễu xạ gương lấy sáng Tỉ lệ kích thước gương cản sáng GREE BLUE NIR 108 125 74 0.2 0.7 0.6 0.2 2.7 2.6 1.4 1.7 2.6 0.78 0.76 0.36 0.40 0.71 trung tâm MTF suy hao N 0.84 MTF quang học 0.58 0.56 0.23 0.19 0.50 MTF hệ thống 0.24 0.23 0.11 0.12 0.22 5.3 Đề xuất đầu thu CCD Đầu thu CCD nơi nhận tín hiệu ảnh tạo thành từ hệ thống quang học chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện Một số quan trọng CCD độ nhạy CCD, thể qua thơng số tỉ lệ tín hiệu nhiễu độ khuếch đại điểm ảnh Khi lựa chọn đầu thu cho thiết bị chụp ảnh quang học sử dụng vệ tinh, thông số hay sử dụng để lựa chọn tỉ lệ tín hiệu nhiễu SNR CCD đề xuất sử dụng vệ tinh VNREDSat-1 có thơng số sau: 98 Bảng 5.4: Thông số đề xuất sử dụng vệ tinh VNREDSat-1 Kênh PAN Kênh MS Photomos Photodiodes 12x12 (µm2) 48x48 (µm2) Số hàng TDI hàng (1 cho kênh phổ) Độ bão hòa > 175 000 e- > 175 000 e- > 6.5µV/e- > 6.5µV/e- 70% ≤QE ≤80% 70% ≤QE ≤ 80% Tín hiệu tối < 70 µV < 300 µV Dòng tối < 250 µV < 250 µV < ±5% < ±5% Cơng nghệ phần tử nhạy sáng Kích thước điểm ảnh Hệ số chuyển đổi tín hiệu đầu Hiệu suất lượng tử Độ khơng đồng đáp ứng Đối với vệ tinh nhỏ quang học quan sát trái đất hoạt động quỹ đạo có cao độ thấp VNREDSat-1, yêu cầu tỉ lệ tín hiệu nhiễu vào khoảng lớn 100 để thu ảnh có chất lượng tốt với độ nhiễu thấp Với thông số CCD đề xuất lựa chọn cho VNREDSat-1 trên, tín tốn tỉ lệ tín hiệu nhiễu sau Tại cao độ quỹ đạo 680 (km), vận tốc vệ tinh mặt đất vào khoảng 6.79 (km/s) Với vận tốc vệ tinh mặt đất vậy, thời gian vệ tinh bay qua khu vực tương ứng với khoảng lấy mẫu 0.36 (ms) với kênh PAN 1.4 (ms) với kênh MS Hệ thống quang học bao gồm gương, độ phản xạ gương 0.95 Mức tín hiệu đầu vào đầu thu CCD hàm mức xạ cảnh đầu vào, hiệu suất lượng tử đầu thu, độ truyền qua hệ thống quang học, kích thước gương lấy sáng, hệ số góc nhìn hệ thống quang học, độ rộng phổ kênh phổ Mức tín hiệu nhiễu tín tốn dựa thơng số sản xuất CCD Tính tốn chi tiết tỉ lệ tín hiệu nhiễu SNR hệ thống với đầu thu CCD lựa chọn trình bày bảng 99 Bảng 5.5: Tính tốn chi tiết tỉ lệ tín hiệu nhiễu SNR Đường kính gương lấy sáng 200 (mm) Diện tích gương lấy sáng 0.021 (m2) (20% Cobs) Thời gian tích phân (ms) Ω (=(GSD/H)^2) Hiệu suất lượng tử Tích phân tín hiệu PAN RED GREED BLUE NIR 0.36 1.47 1.47 1.47 1.47 1.3x10-11 1.3x10-11 2.1x10-10 0.7 0.7 0.6 6.3x10-06 7x10-06 1.2x10-06 -10 2.1x10 0.6 2.1x1010 0.7 -05 2.9x10 6.8x1006 Số tầng TDI 1 1 Mức tín hiệu đầu vào 48000 32000 30000 30000 25000 180 170 175 160 Nhiễu Nhiễu photon quang 220 Nhiễu lượng tử hóa 12 Nhiễu điện tử 66 Tổng nhiễu 300 260 250 250 240 SNR L2 160 120 120 120 110 100 KẾT LUẬN Dự án VNREDSat-1 Việt Nam khởi động nhằm phục vụ “Chiến lược nghiên cứu ứng dụng Công nghệ Vũ trụ đến năm 2020” Thủ tướng Chính phủ phê duyệt ngày 14/06/2006 Việc Việt Nam cho đời vệ tinh viễn thám VNREDSat-1 có ý nghĩa vơ quan trọng công tác bảo vệ tài nguyên thiên nhiên môi trường, quan trắc Trái Đất; phục vụ an ninh quốc phòng, quan trắc tàu biển vào, tàu nước xâm phạm lãnh thổ Tổ Quốc Chúng ta mua ảnh chụp từ vệ tinh nhỏ nước khác song việc tiêu tốn hàng nhiều triệu USD điều thực vấn đề với nước nhỏ phát triển cịn gặp nhiều khó khăn Việt Nam Luận văn “Nghiên cứu trình giám sát, xác định vị trí vệ tinh quỹ đạo công nghệ chụp ảnh quang học sử dụng vệ tinh quan sát trái đất ” thể đánh giá, lý luận thực tiễn việc nắm bắt tiến tới làm chủ công nghệ vệ tinh nhỏ quan sát Trái Đất VNREDSat-1 thức phóng lên quỹ đạo vào tháng 4/2013 tới Tuy nhiên Cơng nghệ Vũ trụ nói chung Cơng nghệ Vệ tinh nói riêng vấn đề lớn, công nghệ mẻ Việt Nam Để nghiên cứu triệt để cần kiến thức sâu rộng, làm việc nghiêm túc thời gian dài nên luận văn nhiều tồn chưa thể giải Do việc tìm hiểu, nghiên cứu tiến tới nắm bắt công nghệ khai thác, vận hành vệ tinh nói chung nước ta cần phối hợp nhiều ngành nhà khoa học Trong tương lai, hệ vệ tinh viễn thám dân dụng đời đón nhận, với kiến thức tìm hiểu trên, tác giả hy vọng có đóng góp nhỏ phát triển Đất nước 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Đức Cương, Nguyễn Tăng Cường, Nguyễn Thành Long, Lê Đức Minh, Huỳnh Văn Ngọc, Trần Việt Phong, Ngô Duy Tân, Trần Mạnh Tuấn, Bùi Trọng Tuyên, Công nghệ vệ tinh, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2007 AMOS, Wide Field of View all-reflective hyperspectral Imager for VNREDSat-1B Benedict,G F., McGraw, J T.,Hess, T R., Cawson, M.G M & Keane,M J., 1991 Bloemhof, E.E., Danchi, W.C., Townes, C.H.& McLaren, R.A., 1988 Bloemhof, E.E., Townes, C H.&Vanderwyck, A.H.B.,1986.In:Instrumentationin Boroson, T.A., Thompson, I B.& Shectman, S A.,1983.Astron.J.,88, 1707 Bracewell, R N.,1978.TheFourierTransformanditsApplications-2Ed., McGrawHill BookCo.,NewYork Caldwell, J A.R., Keane, M J &Schechter, P.L., 1991.Astron.J.,101, 1763 Crampton, D., Astr.Soc.Pacif., San Francisco 10 Dick, J., Jenkins, C & Ziabicki, J., 1989.Publ.Astron.Soc.Pacif.,101, 684 11 Gehrels, T., McMillan, R S., Scotti, J V & Perry, M L., 1990.In:CCDsinAstronomy, 12 Gerard Maral & Michel Bousquet, Satellite Communication System, John Wiley & Sons, 4th Edition, 2003 13 Gibson, B.K &Hickson, P., 1991.In:TheSpaceDistributionofQuasars,p.80, ed 14 Gibson, B.K., 1991,J.Roy.Astron.Soc.Canada,85, 158 15 Hall, P.& Mackay, C D.,1984.Mon.Not.R.astr.Soc.,210, 979 16 Jo Bermin, Proba Spacecraft family small mission solutions for emerging applications, WG 1/6 Small satellites 17 Spacebel, Vietnam Natural Resources, Environment and Disaster monitoring Satellite ( VNREDSat) System Presentation 102 ... góc phương vị 2.2 Quỹ đạo vệ tinh Vệ tinh phóng từ Trái Đất có nhiều nhiệm vụ khác Như biết, quan sát môi trường Trái Đất thực tốt quan sát từ vệ tinh Tại vị trí đặc biệt vệ tinh quan sát khoảng... Vĩ độ sang Hệ tọa độ vị trí quan sát 30 CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT CHỤP ẢNH QUANG HỌC SỬ DỤNG TRÊN CÁC VỆ TINH QUAN SÁT TRÁI ĐẤT 31 3.1 Các phương pháp chụp ảnh 31 3.1.1... phương trình ta kết hợp kinh độ: vĩ độ vị trí quan sát thời gian ta tìm 30 CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT CHỤP ẢNH QUANG HỌC SỬ DỤNG TRÊN CÁC VỆ TINH QUAN SÁT TRÁI ĐẤT 3.1 Các phương pháp chụp