§ 98. Виды съемок из космоса и съемочное оборудование

Видеоинформацию об объекте съемки получают путем приема и фиксирования электромагнитного излучения, идущего от этого объекта. Электромагнитные излучения составляют довольно ши­рокий спектр. Для получения видеоинформации используют от­дельные участки радиодиапазона (длина волны λ>1 мм), практи­чески весь оптический диапазон (340 мкм> λ >0,01 мкм) и диапа­зон рентгеновских лучей (10 нм> λ 0,01 нм). В зависимости от того, в какой области спектра фиксируется излучение, различают съемки в видимом, инфракрасном, ультрафиолетовом, радио- и рентгеновском диапазонах.

Излучение бывает собственное и отраженное. При съемках,, в основном, фиксируют отраженное излучение, которое создается естественным или искусственным источником.

Естественным источником, а при космической съемке и основ­ным, является Солнце, освещение которым небесных тел исполь­зуется для съемок в оптическом диапазоне и, прежде всего, в об­ласти видимого света (λ = 0,38÷0,77 мкм). Оптический диапазон является наиболее широко используемым для съемок с различ­ными научно-исследовательскими и производственными целями, в том числе и картографическими. Для исследования природных, ресурсов съемку проводят в узких зонах оптического диапазона. Специфика съемки в ультрафиолетовой области состоит в том, что обычные стекла поглощают практически почти все лучи этой об­ласти, пропуская только малую часть из пограничной зоны с ви­димым светом (X = 0,36÷0,38 мкм). Поэтому для съемки в УФ-области применяют объективы из кварцевого стекла.

В качестве искусственных источников излучения используют лампы-вспышки, прожекторы, лазеры, инфракрасные и ультра­фиолетовые излучатели и другие, но до настоящего времени при космической съемке искусственный источник использовался только во время радиолокационной съемки, при которой поверхность не­бесного тела облучалась радиоимпульсами, вырабатываемыми и излучаемыми радиопередатчиком, установленным на борту но­сителя съемочной аппаратуры.

Собственное излучение в виде тепловых лучей фиксируют при съемке в инфракрасном диапазоне, который делят на три области: ближнюю (λ = 0,75÷1,7 мкм), среднюю (λ= 1,7÷7 мкм) и даль­нюю (λ = 7÷15 мкм). Съемка в ближней к видимому диапазону области позволяет достаточно надежно дешифрировать объекты на поверхности планеты с учетом разности их температур. По­этому она используется в качестве дополнения к топографической фотосъемке. Съемки в окнах прозрачности

(λ = 3—5; 7—14 мкм) позволяют получить изображения, характеризующие распределе­ние температур в поверхностном слое планеты, и, следовательно, дают изображения в более генерализованном виде. Особенность-съемки в дальней области состоит в том, что ее можно выполнять, днем, так как излучения в этой области наиболее удалены от ви­димого диапазона.

В последние годы совершенствуется съемка в микроволновой части радиодиапазона (λ=3—300 мм), которая позволяет изме­рить интенсивность собственного радиотеплового излучения небес­ного тела из глубин поверхностного слоя [8, 9, 25].

В зависимости от того, в каком диапазоне производится съемка, а также от принципа работы съемочной аппаратуры ви­деоинформация о космических объектах может быть получена прямым или косвенным методом.

Прямой метод подразумевает прием излучения и фиксирова­ние его с помощью оптической системы (объектива) непосред­ственно на фотопленку, которая после экспонирования доставля­ется на Землю для фотохимической обработки. Таким методом получают космические снимки в ходе пилотируемых полетов. Из автоматических станций только АМС «Зонд-5, -6, -7, -8» доста­вили фотопленки, экспонированные в дальнем космосе, на Землю, а с остальных космических летательных аппаратов изображения небесных тел были получены косвенными методами.

Косвенный метод позволяет получить космические снимки без возврата на Землю носителя съемочной аппаратуры. При этом изображение окончательно фиксируется на фотопленке после того, как принятое от небесного тела излучение пройдет различные ста­дии обработки в оптических, оптико-электронных и радиотехниче­ских устройствах, установленных как на носителе, так и на Земле.

Методика фотограмметрической обработки космических сним­ков в значительной степени определяется техническими характе­ристиками съемочной аппаратуры, с помощью которой получены эти снимки. В зависимости от длительности и геометрии построе­ния кадра съемочную аппаратуру можно разделить на три типа: кадровую, щелевую и сканирующую.

Кадровые съемочные камеры обеспечивают фиксирование на фотопленке всех точек кадра в один момент времени — момент срабатывания затвора. Полученный снимок имеет единый центр проекции и строгую геометрию построения изображения, подчи­ненную законам центрального проектирования. По измерениям кадрового снимка получают самые высокоточные результаты, что объясняет применение кадровых фотокамер при топографической аэрофотосъемке.

В съемочных камерах со щелевым принципом построения изо­бражения точки местности проектируются объективом на фото­пленку через узкую щель, расположенную по ширине пленки. В результате обеспечивается фиксирование изображения в преде­лах одной строки кадра. Развертка изображения по кадру осу­ществляется по-разному. В собственно щелевых фотокамерах фо­топленка движется непрерывно мимо неподвижной щели (рис. 126, а) с одновременным перемещением фотокамеры относи­тельно объекта съемки. В фотокамерах со шторно-щелевым затво­ром щель перемещается вдоль неподвижной фотопленки (рис. 126, б). В панорамных фотокамерах применяют разные способы. Например, щель жестко связана с объективом, при повороте кото­рого щель перемещается вдоль неподвижной фотопленки, распо­ложенной на цилиндрической поверхности, имеющей радиус, рав­ный фокусному расстоянию объектива (рис. 126, в). На космиче­ском корабле «Аполлон» (США) была установлена панорамная фотокамера (рис. 126, г), у которой развертка по кадру обеспечи­валась вращением зеркала 1, установленного перед объективом 2, и непрерывным движением фотопленки 3 мимо неподвижной щели 18, 25].

При щелевой фотосъемке большое значение имеет, перемеща­ется ли съемочная камера относительно фотографируемой поверх­ности или стоит неподвижно. Если фотокамера и объект съемки неподвижны, то съемку щелевой камерой выполнить вообще нельзя. В фотокамере со шторно-щелевым затвором изображение «будет строиться на плоскости по законам центральной проекции, а в панорамных камерах изображение также будет получено в центральной проекции, но на цилиндрической поверхности. Если фотокамера движется, то положения всех точек в строке, т.е. фик­сируемых на фотопленке в один момент времени, соответствуют центральному проектированию, но каждая следующая строка фик­сируется в другой момент времени и, следовательно, ее центр проекции не совпадает с центрами проекции других строк. Таким образом, все линейные и угловые перемещения носителя фотока­меры будут искажать геометрию построения снимка.

При экспонировании точки N (рис. 127) через щель из центра проекции S точка М не будет зафиксирована. Это произойдет позже, когда центр проекции переместится в точку S'. Расстояние SS' носитель пройдет со скоростью V за время t_s, за которое щель пройдет отрезок пт' = l со скоростью v. Несовпадение точек m и т' будет искажением δ изображения. Из подобия треугольников mm'S' и SS'M получим

Время t_s=l/v, а скорость движения щели v определяется выдерж­кой t и расстоянием, которое щель проходит при экспонировании точки, т. е. ее шириной z и размером светового конуса в плоскости щели h/n, где h — отстояние щели от фотопленки, 1/n — относи тельное отверстие объектива. Учитывая все это, а также считая, что щель и носи­тель движутся равномерно, получим

Из формулы видно, что чем больше высота фотографирования, тем меньше искажение. В то же время увеличение скорости носи­теля и фокусного расстояния фотокамеры ведет к увеличению искажения.

В настоящее время космические съемки небесных тел производят, в основном, фо­токамерами со сравнительно небольшими фокусными расстояниями и с больших вы­сот. При таких условиях искажения изо­бражений, подсчитанные по формуле (309), будут небольшими или практически малы.

В результате представляется возможность использовать фотока­меры со шторно-щелевым затвором и панорамные для проведения съемок с измерительными целями, В этом случае обработка фо­тоснимков, полученных фотокамерами со шторно-щелевым затво­ром, может быть осуществлена по методике обработки кадровых снимков, а при обработке панорамных снимков нужно только учесть особенности центральной проекции на цилиндрическую по­верхность.

Сканирующая фотосъемка производится специальными каме­рами, у которых построение изображения как по строке, так и по кадру производится поточечно, т. е. каждая точка фиксируется в отдельный момент времени и имеет свой центр проекции.

Принцип работы сканирующей съемочной камеры можно по­казать на примере камер (рис. 128), установленных на советских автоматических станциях «Луна», «Венера» и самоходных аппа­ратах «Луноход». Кулачок 1, который равномерно вращается мо­тором, обеспечивает плавный наклон зеркала 2 на угол (5 во время развертки строки, а по ее окончании — быстрый возврат зеркала в исходное положение. Для развертки изображения по кадру зеркало равномерно поворачивается вокруг вертикальной оси 3. Оптические лучи, отраженные зеркалом, проходят объектив 4, диа­фрагму 5, определяющую поле зрения, и попадают на светоприемник 6, преобразующий их в электрические сигналы. Далее с помощью радиотехнических устройств электрические сигналы преобразуются в электромагнитные колебания и передаются на Землю [8, 25].

Для получения панорамных снимков съемку можно произво­дить либо с носителя, находящегося на поверхности планеты, либо с орбиты спутника. В последнем случае у камеры, показанной на рис. 128, отсутствует поворот вокруг оси 3, а развертка изображе­ния по кадру осуществляется за счет смещения носителя.

К этому же виду съемки можно отнести телевизионную и фо­тотелевизионную съемки. Из-за большой скорости построения кадра на экране передающей электронно-лучевой трубки телеви­зионная съемка приближается к кадровой. Смысл фототелевизи­онной съемки состоит в следующем. На борту автоматической станции установлена фотокамера, производящая кадровую съемку. Экспонированная фотопленка проходит на борту фотохимическую обработку и поступает в считывающее устройство, преобразующее фотоизображение в электрические сигналы, которые по радиока­налу передаются на Землю. В отличие от телевизионной съемки продолжительность фототелевизионной ограничена длиной фото­пленки, установленной в фотокамере [8, 25].

К сканирующим видам съемки относится и радиолокационная съемка.