Z ostatniej chwili   Nowości   Strona główna  
Menu
Systemy do zdalnej obserwacji obiektów | Wiadomości


Opracowanie obrazująco-spektralnych systemów przeznaczonych do zdalnej obserwacji obiektów
umowa o dofinansowanie projektu w ramach Priorytetu 1.,Działanie 1.3. PO IG, Poddziałanie 1.3.1
*UDA-POIG.01.03.01-14-082/08-00 *

Celem proponowanego projektu było opracowanie rodziny spektralno-obrazujących systemów o budowie modularnej, mogących pracować w szerokim zakresie spektralnym (od 0,35µm do 20µm) i trudnych warunkach środowiskowych. Systemy te dysponują układami stabilizującymi głowicę pomiarową i układami precyzyjnej orientacji przestrzennej.
Projektowane moduły stanowią połączenie systemu obrazującego (kamery o wysokiej rozdzielczości), pozwalającego na śledzenie wybranych obiektów oraz instrumentu spektralnego (wielokanałowy rejestrator widma), który umożliwia określenie ich cech fizycznych.

Wartość projektu 4 958 094,40 zł, czas realizacji 1 kwietnia 2009 - 31 maja 2011.

Całość projektu została podzielona na kilka zadań, odpowiadających modułom funkcjonalnym proponowanego sytemu, podzielonych na trzy grupy tematyczne:

  • Moduły optyczne systemu obrazująco-spektralnego (GT1 - optyka)
  • Moduły elektroniczne systemu obrazująco-spektralnego (GT2 - elektronika)
  • Moduły mechaniczne systemu obrazująco-spektralnego (GT3 - mechanika)


Uniwersalne systemy SPEKTROP przeznaczone do monitoringu obiektów mogą pracować w różnych środowiskach:

  • zamontowane na pojazdach naziemnych,
  • jako urządzenia przenośne (w lżejszej wersji),
  • jako przyrządy stacjonarne,
  • jako urządzenia satelitarne zapewniające monitoring z poziomu satelitarnego i lotniczego (w najbardziej rozwiniętej i technicznie zaawansowanej wersji) montowane na różnego rodzaju platformach latających:
    • UAV (unmanned aerial vehicle) o stosunkowo małych prędkościach,
    • samolot, heliktopter
    • satelita

Najważniejsze cechy systemu:

  • budowa modularna umożliwiająca szybkie dopasowanie całego systemu do konkretnych wymagań użytkownika,
  • każdy podsystem, po niewielkich modyfikacjach, może być wytwarzany niezależnie i stosowany w innych urządzeniach, zawierających najnowocześniejsze rozwiązania techniczne i technologiczne z zakresu optoelektroniki


Moduł optyki wejściowej
Nasze analizy zamierzamy oprzeć na teleskopach TMA (Three Mirror Anastigmat) opracowanych w tym stuleciu na potrzeby konstrukcji satelitarnych. Wyposażane są w nie coraz to nowe misje, które będą dopiero wyniesione (np. Sentinel 2). Najwcześniej zostanie wyniesiona konstelacja satelitów obserwacyjnych RAPID-EYE z systemem spektralno-obrazującym wyposażonym w TMA w 2009 roku.
Teleskopy TMA są właściwym kierunkiem rozwoju technologicznego i projektowania modułów optycznych dla potrzeb budowy teledetekcyjnej aparatury spektralnej i obrazującej. Teleskopy zwierciadlane umożliwiają prace w szerokim zakresie spektralnym i mogą współpracować z szeregiem modułów spektralnych i detektorów pracujących w zakresie optycznym. Zaletą szeregu konstrukcji z klasy TMA jest możliwość zaprojektowania relatywnie duże pole widzenia jak na teleskopy zwierciadlane, powyżej 200. Stąd, też ta kategoria teleskopów będzie analizowana i projektowana w ramach projektu.
Teleskopy TMA składają się z 3-ch elementów o powierzchniach asferycznych pozaosiowych w najprostszym przypadku, a bardziej złożone konstrukcje o większym polu widzenia zawierają drugi element lub trzeci element z powierzchniami o krzywych hiperbolicznych. Obecnie widzimy trend do stosowania układów zwierciadlanych wykonanych ze stopów lekkich metali jak aluminium, berylu, bądź kompozytów typu SiC. Wymaga to rozwiązania szeregu problemów technologicznych związanych z obróbką tych materiałów i uzyskania przy tym gładkości powierzchni jak dla optyki wykonanej ze szkła.
Tej klasy teleskopy są trudne technologicznie do wykonania i justowania, ale są lekkie i odporne na trudne warunki środowiskowe i wibracje, czy udary, co przy konstrukcjach satelitarnych ale i wojskowych ma duże znaczenie.
Docelowo dążymy do opanowania technologii wykonywania asferycznych zwierciadeł pozaosiowych oraz zakładamy opracowanie technologii wykonywania zwierciadeł z aluminium lub innych materiałów kompozytowych np. SiC , co stanowi drugi wdrożeniowy etap projektu.

Moduł spektralny
W większości satelitarnych i lotniczych systemów spektralno-obrazujących wykorzystywane są systemy bazujące na spektralnych filtrach szerokopasmowych lub interferencyjnych. Systemy takie maja od kilku do kilkunastu kanałów spektralnych Z drugiej strony rozwijane są systemy hiperspektralne dysponujące setkami kanałów spektralnych bazujących na systemie odbiciowych siatek dyfrakcyjnych. Systemy satelitarne i lotnicze do teledetekcyjnych zastosowań komercyjnych oparte siatkach dyfrakcyjnych pracują najczęściej w zakresie spektralnym 0,4-3µm, a w misjach do innych planet zakres jest rozszerzany do 20µm. Atmosfera ziemska redukuje nasze widmo do badań w podczerwieni pułapu lotniczego do dwóch okien atmosferycznych 3-5 µm oraz 8-12 µm.
Kolejnym trendem widocznym w ostatnich latach w systemach teledetekcyjnych jest stosowanie systemu dyfrakcyjnych siatek sferycznych w układzie Offnera, ze względu na ich relatywnie małe wymiary . Te systemy zostaną zamodelowane i przeanalizowane do naszych potrzeb. Części składowe dla tych systemów są dostępne handlowo i po zaprojektowaniem ich parametrów, dokonaniu zakupu i justowaniu wraz z macierzą CCD dla pasma widzialnego zostaną wykonane testy laboratoryjne. Analizy będą prowadzone dla pełnego zakresu spektralnego , a testy zostaną przeprowadzone dla zakresu widzialnego i drugiego okna atmosferycznego 8-12 µm.
Dla zakresu spektralnego w drugim oknie atmosferycznym będziemy analizować filtry szerokopasmowe współpracujące z macierzami CCD oraz zostanie przeanalizowany od strony energetycznej system oparty na siatce dyfrakcyjnej współpracujący z macierzą CCD dla tego zakresu.

Moduł detekcyjny z tzw. readout electronic ( macierze CCD)+ASIC
Detektory macierzowe CCD są obecnie fundamentem dla prawie wszystkich przyrządów teledetekcyjnych. Opanowanie pracy i umiejętność ich wykorzystywania dla pomiarów spektralnych oraz celów obrazujących przy zachowaniu wysokiego stosunku S/N jest kluczową dla tej klasy urządzeń. Ostanie lata przynoszą zastosowania matryc CCD pracujących w trybie TDI ( Time Delay Integration). Wykorzystywane są te macierze dla zastosowań satelitarnych i lotniczych. Istotą pomiaru jest synchronizacja prędkości pomiaru z prędkością skanu wykonywaną przez pojedynczą linijkę, a następnie sumowanie sygnału z linii pixeli wzdłuż trasy lotu z odpowiednim taktem. Wykonanie tego algorytmu wymaga opracowania specjalizowanej elektroniki. Tryb pracy TDI daje możliwość zwiększenia S/N i zmniejszenia wymiarów modułów optycznych, a tym samym masy i wymiarów całego urządzenia, co w przypadku mobilnych urządzeń szczególnie na pokładach UAV ma fundamentalne znaczenie.
Kolejnym zadaniem jest programowana zdolność rozdzielcza, która sprowadza się w istocie do zwiększenia ilości linii macierzy CCD odpowiedzialnych za detekcję sygnału w jednym zakresie spektralnym. Sprowadza się to do pogorszenia zdolności rozdzielczej (spektralnej), ale także do polepszenia stosunku sygnału do szumu.
Oba wymienione powyżej zabiegi wymagają wbudowania w moduł sterowania matrycami algorytmu umożliwiającego właściwą synchronizację odczytywania kolejnych linii CCD z prędkością przelotu. System kontrolujący pracę urządzenia powinien na bieżąco, na podstawie odczytywanych parametrów lotu oraz zadanych parametrów skanowania dobierać parametry sygnałów taktujących pracę matryc CCD oraz elementów z nimi sprzężonych (filtry antyaliasingowe, przetworniki A/D).
Detektory (matryce CCD) powinny współpracować z modułami Front-End zawierającymi: moduły wstępnej, analogowej obróbki sygnałów włącznie z wbudowanymi mechanizmami autokalibracji, moduły zaawansowanego sterowania matrycą (mechanizm TID, szybki odczyt wybranego fragmentu matrycy, zmiana rozdzielczości spektralnej i tym podobne) oraz całymi torami przetwarzania sygnału do postaci cyfrowej. Przewiduje się, że w najbardziej rozbudowanych systemach wymagana będzie szybkość obróbki sygnałów znacznie przewyższająca 1Gsampl/sek dla całego kompletu kilku macierzy (torów pomiarowych umożliwiających równoległe zobrazowanie w paśmie widzialnym, zobrazowanie w podczerwieni, analizę spektralną w paśmie widzialnym, analizę spektralną w podczerwieni). Taka szybkość przetwarzania, szczególnie przy wymaganiach na zasilanie, wagę z jednej strony a rozdzielczość amplitudową z drugiej będzie wymaganiem bardzo trudnym do spełnienia, choć, ze względu na modułowość systemu i możliwość równoległego przetwarzania danych z każdej macierzy osobno, nie niemożliwym do wypełnienia.

Moduł sterowania i przetwarzania danych na bazie FPGA
W dziedzinie cyfrowej obróbki sygnałów uwaga zostanie skupiona na wykorzystaniu dużych matryc FPGA (powyżej 1M) umożliwiających budowę wysokowydajnego i zminiaturyzowanego kompletnego systemu cyfrowego opartego o jeden (w przypadku najprostszych) do zaledwie kilku (w przypadku najbardziej rozbudowanych) modułów scalonych. Prace związane z doborem i przetestowaniem (w warunkach realizacji sprzętowej) odpowiednich algorytmów kompresji danych i ich pokładowej, zorientowanej na konkretne zastosowania, obróbki będą stanowiły jeden z głównych elementów projektu. Przewiduje się częściowo otwartą architekturę systemu umożliwiającą jego szybką adaptację do konkretnego zadania. Przewiduje się, że w wielu przypadkach proponowane rozwiązania pozwolą na znaczne (zarówno w warstwie oprogramowania jak i w warstwie sprzętowej) przeprogramowanie systemu już w gotowym urządzeniu zachowując przy tym jego żądaną niezawodność. Taka opcja ma szczególne znaczenie w sytuacji konieczności szybkiego dopasowania gotowego sprzętu do nowego zadania, a w przypadku potencjalnych zastosowań satelitarnych, pozwala także na ewentualne wprowadzanie poprawek i udoskonaleń urządzenia po jego wystrzeleniu. Prace związane z reprogramowaniem systemów elektronicznych znajdujących się na orbicie są aktualnie jednym z głównych kierunków rozwojowych w technice satelitarnej. Możliwości adaptacji systemu do zmiennych warunków środowiskowych i zmienianych zadań stanowią podstawę dla konstrukcji przyszłych bezzałogowych lotniczych systemów obrazujących. Prace badawcze związane z przygotowaniem niniejszego projektu obejmować powinny: a) wybór, implementowanych w FPGA, modułów realizujących zadania DSP w warstwie sprzętowej, b) dobór, w zależności od komplikacji postawionego zadania, implementowanego w postaci kodu VHDL procesora - od prostych mikrokontrolerów począwszy poprzez procesory DSP na 32-bitowych procesorach RISC lub rdzeniach PowerPC skończywszy), c) konfigurację odpowiednio szybkich i pojemnych pamięci półprzewodnikowych oraz d) dobór, także implementowanych w FPGA i możliwych do przeprogramowania, dedykowanych dla danego zastosowania interfejsów (interfejs niestandardowy, LAN, LVDS, MIL1553, SpaceWire lub inne). Jako minimalną moc obliczeniową pojedynczego kontrolera wbudowanego w FPGA w średnio zaawansowanym systemie obrazującym należy przyjąć 50MIPS oraz 10MFLOPS. W najbardziej zaawansowanych systemach te możliwości powinny być dużo większe i uzupełnione o dodatkowe, sprzętowe możliwości przetwarzania obrazów. Te dodatkowe możliwości powinny opierać się o wykorzystanie dedykowanych procesorów obrazu, opracowanie i testy algorytmów wykorzystywanych w tych procesorach oraz propozycje konkretnej realizacji tychże procesorów będą stanowić bardzo poważny fragment proponowanego projektu. W propozycjach przeznaczonych dla urządzeń satelitarnych (i niektórych militarnych) architektura systemu powinna być zrealizowana w technologii „Fault Tolerant”, „RadHard” lub „RadTolerant” i dodatkowo rozbudowana o moduły zwiększające niezawodność w warunkach podwyższonej radiacji (tzw. „mitigation technics”: „triple redundancy”, „scrubbing”, systemy EDAC). Przejście z taniej technologii określanej jako „industrial” na drogą technologię „kosmiczną” nie powinno być związane ze zmianą projektu urządzenia – moduły elektroniczne w obu wersjach powinny być ze sobą kompatybilne, a wymienione powyżej mechanizmy podnoszące niezawodność w większości wypadków są automatycznie dodawane w procesie projektowania struktury modułu FPGA w wersji „kosmicznej”.

Moduł interface-ów i zasilania
W dziedzinie modułów wspomagających systemy detektorów i przetwarzanie sygnałów uwaga zostanie skupiona głównie na systemach zasilania. Są wprawdzie dostępne handlowo moduły zasilające przeznaczone do zastosowań militarnych i satelitarnych, ale praktyka pokazuje, że w opracowaniach unikatowych urządzeń pomiarowych nie zawsze takie moduły można zastosować (nie mają odpowiednich parametrów lub ich zastosowanie nie gwarantuje pełnej optymalizacji parametrów finalnych urządzenia). W dużej części przypadków koniecznym będzie opracowanie dedykowanych rozwiązań systemów zasilających charakteryzujących się bardzo wysokimi parametrami. Większość współczesnych modułów elektronicznych (a przede wszystkim moduły ASIC i FPGA) wymaga zasilania bardzo małym napięciem przy stosunkowo dużym i zmiennym poborze prądu. Podobne wymagania (małe napięcie, duży, stabilny, i najczęściej programowany prąd) mają systemy chłodzenia detektorów oparte na termoogniwach Peltiera. Ważnym zagadnieniem będzie problem sterowania i zasilania różnych mechanicznych modułów wykonawczych: silników DC, silników krokowych, silników liniowych, miniaturowych siłowników, z reguły, w związku z problemami niezawodnościowymi, wymagających niestandardowego podejścia w procesie projektowania elektroniki z nimi współpracującej. Uzyskanie dużych sprawności zasilaczy przy jednoczesnej ich miniaturyzacji narzuca stosowanie opracowań pracujących z częstotliwościami kilkuset kHz i zawierających moduły detektorów synchronicznych. Te rozwiązania będą musiały być przetestowane (symulacja komputerowa, testy wybranych rozwiązań modułowych) w trakcie trwania projektu. Dodatkowym utrudnieniem w przypadku technologii satelitarnej i (w niektórych przypadkach) militarnej jest konieczność implementacji w modułach zasilania systemów zabezpieczających struktury przed efektami SEU. Analiza i opracowanie wymagań dla systemów zasilania będą musiały spełnić bardzo ostre wymagania EMC oraz ESD.

Analiza pasywnych i aktywnych modułów tłumienia drgań
Duży wpływ na jakość uzyskanej informacji w optoelektronicznych systemach obrazujących umieszczonych na obiektach ruchomych (samolotach, pojazdach) ma system separacji optycznej głowicy pomiarowej od wibracji zewnętrznych generowanych przez samolot lub też mechanizmy własne urządzenia. Sama optyczna głowica pomiarowa, która nie będzie posiadała elementów ruchomych, nie będzie też źródłem zakłócających drgań. Pogorszona na skutek drgań jakość obrazu (ang. ghost image) wynika z generowania dodatkowych częstotliwości harmonicznych wokół częstotliwości podstawowej. Zniekształcony obraz wymaga dodatkowej, skomplikowanej obróbki sygnału. Efekty oddziaływania drgań w zakresie częstotliwości, od kilkudziesięciu Hertz-ów do 600 Hz, są do tej pory praktycznie niemożliwe do całkowitego skorygowania i w celu uzyskania wysokiej jakości obrazu, konieczny jest również bardzo dobry reduktor drgań.

Analiza efektywności modułu stabilizacji orientacji
Celem analizy efektywności modułu stabilizacji i orientacji jest wyznaczenie istotnych parametrów modułu pozwalających na przygotowanie optymalnego rozwiązania konstrukcyjnego.
Stabilizowanie orientacji urządzenia wynika z potrzeby zachowania stałego kierunku osi optycznej przyrządu obrazującego. Wychylenia i kołysanie samolotu lub innego pojazdu do którego byłoby montowane urządzenie wprowadzają zaburzenia równowagi głowicy pomiarowej. W analizowanym układzie optycznym nie przewiduje się ruchomego obiektywu lub matrycy i w związku z tym nie rozważa się zastosowania systemu polegającego na stabilizacji któregoś z wymienionych elementów, jak ma to miejsce w rozwiązaniach znanych z aparatów fotograficznych.



uaktualniono 17 czerwca 2011