Влияние реактивного момента на размытие изображения

Введение. При повороте оптической системы космического аппарата возникает реактивный момент, связанный с движением внутренних элементов. Он вызывает непреднамеренное угловое смещение корпуса, приводя к отклонению оси визирования и формированию изображений с геометрическими искажениями – пространственным размытием. Это ограничивает качество данных дистанционного зондирования и астрофотографии. Несмотря на широкое изучение задач стабилизации, влияние внутренних реактивных моментов, возникающих при движении элементов оптики, на пространственную точность визирования остается недостаточно исследованным.

Цель работы. Оценить влияние реактивного момента оптико-механической системы на пространственное размытие изображения и определить соответствие уровня размытия допустимым требованиям к качеству данных.

Материалы и методы. Использовались данные гироскопических измерений реального аппарата в процессе работы оптической системы. Угловые скорости анализировались на интервалах, равных времени экспозиции камеры, что позволило оценить смещение визирной оси и линейное смещение изображения в фокальной плоскости. Дополнительно применялась математическая модель на основе методов теоретической механики, связывающая реактивный момент с угловым откликом корпуса.

Результаты. Анализ показал наличие низкочастотных угловых колебаний, формирующих пространственный смаз величиной несколько микрометров. При этом функция передачи модуляции сохраняет значение выше 0.99, что указывает на минимальное влияние на качество снимков. Модель подтвердила зависимость амплитуды углового отклонения от значения реактивного момента.

Заключение. Установлено, что реактивные моменты оптико-механической системы значением меньше 0.05 Н·м вызывают размытие изображения, однако его величина несущественна: MTF = 0.99 соответствует сохранению требуемой четкости.

1. Hiraoka T., Nishihara O., Kumamoto H. Steering reactive torque presentation method for a steer-by-wire vehicle // Review of Automotive Engineering. 2008. Vol. 29, № 2. P. 287–294.

2. Yoon J., Doh J. Optimal PID control for hovering stabilization of quadcopter using long short term memory // Advanced Engineering Informatics. 2022. Vol. 53. Art. № 101679. doi: 10.1016/j.aei.2022.101679

3. Kumar S., Dewan L. Quadcopter stabilization using hybrid controller under mass variation and disturbances // J. of Vibration and Control. 2022. P. 107754632211256. https://doi.org/10.1177/10775463221125628

4. Lui C. Stabilization control of quadrotor helicopter through matching solution by controlled Lagrangian method // Asian J. of Control. 2022. Vol. 24, № 4. P. 1885–1894. doi: 10.1002/asjc.2622

5. Krodkiewski J. M., Faragher J. S. Stabilization of motion of helicopter rotor blades using delayed feedback–modelling, computer simulation and experimental verification // J. of Sound and Vibration. 2000. Vol. 234, № 4. P. 591–610. doi: 10.1006/jsvi.1999.2878

6. Wahballah W. A., Bazan T. M., Ibrahim M. Smear effect on high-resolution remote sensing satellite image quality // IEEE Aerospace Conf., Big Sky, USA, 03–10 March 2018. IEEE, 2018. P. 1–14. doi: 10.1109/AERO.2018.8396589()

7. Haghshenas J. Maximum allowable low-frequency platform vibrations in high resolution satellite missions: Challenges and look-up figures // Proc. of Optical Systems Design 2015: Optical Design and Engineering VI. Vol. 9626. SPIE, 2015. P. 740–749. doi: 10.1117/12.2191109

8. Геча В. Я., Жиленев М. Ю., Новоселов С. А. Обзор средств оценки составляющих качества изображения на выходе спутниковой оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования земли в целях обеспечения бортовой обработки снимков на борту космического аппарата // Вопр. электромеханики. Тр. ВНИИЭМ. 2021. Т. 185, № 6. С. 38–48.

9. Smith S. L., Mooney J. A., Fiete R. D. Understanding image quality losses due to smear in highresolution remote sensing imaging systems // Optical Engineering. 1999. Vol. 38, № 5. P. 821–826. doi: 10.1109/AERO.2018.8396589

10. Analysis of smear in high-resolution remote sensing satellites / W. A. Wahballah, T. M. Bazan, F. ElTohamy, M. Fathy // Sensors, Systems, and Next-Generation Satellites XX. SPIE. 2016. Vol. 10000. P. 375–385. doi: 10.1117/12.2241634

11. Holst G. C. CCD arrays, cameras, and displays. 2nd ed. Winter Park, FL: JCD publishing, 1998. 378 p.

12. Computation model of image motion velocity for space optical remote cameras / W. Zhong, H. Deng, Zh. Sun, X. Wu // Intern. Conf. on Mechatronics and Automation, Changchun, 09–12 Aug. 2009. IEEE, 2009. P. 588–592. doi: 10.1109/ICMA.2009.5245072

13. Degradation of modulation transfer function in push-broom camera caused by mechanical vibration / P. Xu, Q. Hao, Ch. Huang, Y. Wang // Optics & laser technology. 2003. Vol. 35, № 7. P. 547–552. doi: 10.1016/S0030-3992(03)00084-7

14. Joseph G. Building Earth Observation Cameras. Boca Raton: CRC Press, 2015. 368 p.

15. Schowengerdt R. A. Remote Sensing: Models and Methods for Image Processing. Amsterdam: Elsevier, 2006. 560 p.