Yer gözlem uydu kamerası için kasıtlı ayna eğiminin ileri hareket telafisi yöntemi olarak kullanılması

Öz

Yer gözlem uydularının sağladığı görüntü kalitesinin yüksek olması için, yer örnekleme mesafesinin düşürülmesi (GSD) ve elde edilen görüntü kalite parametrelerinin (MTF, SNR) yeterli seviyede tutulabilmesi gerekmektedir. Daha küçük detayları algılayabilmek için mümkün olan en alçak yörüngeye yerleştirilen görüntüleme uyduları, yörünge yüksekliklerini koruyabilmek için yörüngelerinde yüksek hızla hareket etmek zorundadır. Bu yörünge hareketi, uydu kameralarının çok hızlı hareket eden bir platform üzerinde görevlerini yerine getirmesine sebep olmaktadır. Fotoğraf çekimi boyunca sürekli var olan bu görüntü hareketi, optik sistem odak düzleminde görüntünün bir yöne doğru akmasına, elde edilen yer görüntülerinde kaymalar oluşmasına ve görüntülerin bulanıklaşmasına sebep olmaktadır. İleri Hareket Telafisi (İHT) yöntemleri, uydu kameralarının odak düzlemindeki görüntü akışını engelleyerek veya azaltarak yüksek kaliteli yer görüntülerinin elde edilmesine imkan sağlamaktadır. Bu çalışmada, İHT yöntemi olarak teleskopun ikinci aynasına kasıtlı eğim hareketi verilmiştir. Örnek uydu kamerası optik sistemi olarak Korsch Üç Aynalı Anastigmat teleskop tasarımı gerçekleştirilmiştir. Optik sistemde yer alan ikincil aynaya eğim verildiğinde optik sistem görüntü kalitesinde meydana gelen değişimler MTF ve nokta grafikleri kullanılarak analiz edilmiştir. Görüntü kalitesinin korunması koşulu ile teleskopun ikincil aynasının ± 42 ark saniye aralığında döndürülebilmesinin mümkün olduğu gösterilmiştir. Kasıtlı eğim hareketi yöntemi kullanılarak, tasarımı verilmiş olan uydu kamerasının pozlama süresinin 70 kat artırılması mümkün olmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Yüksek çözünürlüklü yer gözlem uydu kameraları
• İleri Hareket Telafisi (İHT)
• Korsch TMA
• eğim aynası
• pozlama süresi

Destekleyen Kurum

Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK)

Proje Numarası

222M439

Etik Beyan

Bu makalenin yazarları çalışmalarında kullandıkları materyal ve yöntemlerin etik kurul izni ve/veya yasal-özel bir izin gerektirmediğini beyan ederler

Teşekkür

Bu çalışma, Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) tarafından 222M439 Numaralı proje ile desteklenmiştir. Projeye verdiği destekten ötürü TÜBİTAK’a teşekkürlerimizi sunarız.

Forward motion compensation in earth observation satellite cameras via intentional mirror tilting

Öz

To achieve high image quality from Earth observation satellites, it is essential to reduce the ground sampling distance (GSD) and maintain the image quality parameters (MTF, SNR) at sufficient levels. These satellites, placed in the lowest possible orbit to detect smaller details and need to move at high speeds in their orbits to maintain their orbital altitudes. This motion requires satellite cameras to perform their tasks on a rapidly moving platform. Image motion occurring during the camera exposure leads to image flow in the optical system's focal plane, causing shifts in the acquired Earth images and resulting in image blur. Forward Motion Compensation (FMC) methods enable the limitation or reduction of the image flow in the focal plane of satellite cameras, allowing the acquisition of high-quality Earth images. In this study, the tilt mirror method is intended to be used as an FMC method. The optical design of the satellite camera based on the Korsch Three-Mirror Anastigmat telescope is performed. Changes in image quality due to using the secondary mirror as a tilt mirror in the optical system is analyzed using MTF and spot diagrams. The designed satellite camera optics demonstrated the allowance of tilting the secondary mirror within a range of ±42 arc seconds. This tilt motion is shown to increase the exposure time by approximately 70 times for the designed Korsch TMA telescope-based satellite camera.

Anahtar Kelimeler

• High resolution earth observation satellite cameras
• exposure time
• tilt mirror
• Korsch TMA
• Forward Motion Compensation (FMC)

Proje Numarası

222M439

Kaynakça

1. 1. Jing, H., Dai, W., Xiaodong, G., Image motion compensation realization of large resolution digital aerial survey camera, Opto-Electronic Engineering, 33 (5), 27-31, 2006.
2. 2. Chengkang, Y., Qinghui, L., Motion compensation realization for satellite borne camera [J], Infrared and Laser Engineering, 40 (6), 1090-1097, 2011.
3. 3. Dejiang, W., Haipeng, K., Xichang, C., Zhi-Ming, L., Xue-Fei, Z., Digital implementation of forward motion compensation in TDI-CCD panoramic aerial camera, Optics and Precision Engineering, 16 (12), 2465-2472, 2008.
4. 4. Pacey, R., Fricker, P., Forward motion compensation (FMC)-is it the same in the digital imaging world?, Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 71 (11), 1241-1242, 2005.
5. 5. Dejie, Y., Shuyan, X., Chengshan, H., Effect of aerocraft attitude on image motion compensation of space camera [J], Opt. Precision Eng, 16 (11), 2199-2203, 2008.
6. 6. Janschek, K., V. Tehernykh, Optical correlator for image motion compensation in the focal plane of a satellite camera, IFAC Proceedings Volumes, 34 (15), 378-382, 2001.
7. 7. Collette, F., Gline, S., Losseau, J., Lecharlier, L., Geometric properties of mechanical forward motion compensation system controlled by a piezoelectric drive, International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 39 (B5), 2012.
8. 8. Janschek, K., Tchernykh, V., & Dyblenko, S., Integrated camera motion compensation by real-time image motion tracking and image deconvolution, 2005 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, (1437-1444), IEEE, 2005.

9. 9. Janschek, K., Valerij T., Serguei D., Grégory F., A Visual Feedback Approach for Focal Plane Stabilization of a High Resolution Space Camera (Ein Ansatz zur Bildgestützten Regelung für die Fokalebenenstabilisierung einer Hochauflösenden Satellitenkamera), Automatisierungstechnik, 484-492, 2005.
10. 10. Lin, Z., Wu, C., Yu, F., Kang, X., The design of image stabilization control system, Electro-Optical Remote Sensing, Photonic Technologies, and Applications VI, SPIE, 2012.
11. 11. Yuxin, Z., Yu, L., Wenqi, G., Development and prospect of image motion compensation technology, Chinese Journal of Optics and Applied Optics, 3 (2), 112-118, 2010.
12. 12. Li, J., Liu, X., Fang, J., Sun, T., Xu, C.P., External swing method for forward motion compensation of airborne digital camera, MIPPR 2011: Multispectral Image Acquisition, Processing, and Analysis, SPIE, 8002, 28-35, 2011.
13. 13. Che, X., Hu, C., Qi, X., Ma, Z., Li, W., Niu, H., Yan, C., In-Orbit Image Motion Compensation Technology for Long-Integration Time Space Cameras Using a Two-Axis Pointing Platform”, Applied Sciences, 14 (13), 5791, 2024
14. 14. Janschek, K., Tchernykh, V., Dyblenko, S., Flandin, G., Harnisch, B., Compensation of focal plane image motion perturbations with optical correlator in feedback loop, Sensors, Systems, and Next-Generation Satellites VIII, SPIE, 5570, 280-288, 2004.
15. 15. Jo, J.-b., J.-H. Hwang, J.-S. Bae, Optical design for satellite camera with online optical compensation movements, Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, 43 (3), 265-271, 2015.
16. 16. Miller, B., E.Y. Rubinovich, Image motion compensation at charge-coupled device photographing in delay-integration mode, Automation and Remote Control, 68, 564-571, 2007.
17. 17. Janschek, K., Tchernykh, V., Dyblenko, S., Performance analysis of opto-mechatronic image stabilization for a compact space camera, Control Engineering Practice, 15 (3), 333-347, 2007.
18. 18. Walter, I., J. Schönekeβ, Application of micro-mechanic devices for motion compensation of space-borne CCD-imaging systems, Acta Astronautica, 46 (2-6), 269-277, 2000.
19. 19. LiaoSK, L., High frequency motion compensation system based on PZT actuator, Infrared and Laser Engineering, 40 (3), 539-543, 2011.
20. 20. Dolkens, D. and Kuiper, J.M., A deployable telescope for sub-meter resolutions from microsatellite platforms, International Conference on Space Optics-ICSO 2014, SPIE, 10563, 992-1000, 2017.
21. 21. Dolkens, D. and Kuiper, H., Design and end-to-end modelling of a deployable telescope, International Conference on Space Optics-ICSO 2016, SPIE, 10562, 630-638, 2017.
22. 22. Korsch, D., Anastigmatic three-mirror telescope, Applied optics, 16 (8), 2074-2077, 1977.
23. 23. Simonetti, F., Romoli, A., Mazzinghi, P., Bratina, V., Reflecting telescopes for an orbiting high-resolution camera for Earth observation, Optical Engineering, 45 (5), 053001-053001-8, 2006.
24. 24. Costes, V., Laubier, D., Darré, P., Perret, L., Optical design and active optics for next generation space telescopes, UV/Optical/IR Space Telescopes and Instruments: Innovative Technologies and Concepts VI, SPIE, 8860, 76-82, 2013.
25. 25. Korsch, D., A three-mirror space telescope, Optical Engineering, 14 (6), 533-535, 1975.
26. 26. Changb, Y., Forward motion compensation for digital aerial photogrammetric camera. J, Journal of the PLA Institute of Surveying and Mapping, 15 (2), 105-108, 1998.
27. 27. Sandau, R., Digital airborne camera: introduction and technology, Springer Science & Business Media, 2009.
28. 28. Han, J., Yang, X., Yue, W., Xu, T., Wang, S., Chang, L., Yang, C., Image motion of remote sensing camera with wide field of view over the Antarctic and Arctic, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 14, 3475-3484, 2021.
29. 29. Guo, S., Lahav, A., Zhou, Q., Boulenc, P., Klekachev, A. V., Zhuang, X., Wang, X., Design of TDI Imaging Sensor Pixel for Low Power Consumption and High-Speed Applications, IEEE Electron Device Letters, 2025.
30. 30. Tao, S., Zhang, X., Xu, W., Qu, H., Realize the image motion self-registration based on TDI in digital domain IEEE Sensors Journal, 19 (23), 11666-11674, 2019.
31. 31. Jia, J., Wang, Y., Zhuang, X., Yao, Y., Wang, S., Zhao, D., ... Wang, J., High spatial resolution shortwave infrared imaging technology based on time delay and digital accumulation method, Infrared Physics & Technology, 81, 305-312, 2017.
32. 32. Kendrick, S. E., Harwit, A., Kaplan, M., Smythe, W. D., MWIR imaging spectrometer with digital time delay integration for remote sensing and characterization of solar system objects in Infrared Spaceborne Remote Sensing and Instrumentation XV. SPIE, 2007