informИнформатикаInformatics1816-03012617-6963UIIP NASB10.37661/1816-0301-2021-18-1-72-83inform-1102Research ArticleОБРАБОТКА СИГНАЛОВ, ИЗОБРАЖЕНИЙ, РЕЧИ, ТЕКСТА И РАСПОЗНАВАНИЕ ОБРАЗОВSIGNAL, IMAGE, SPEECH, TEXT PROCESSING AND PATTERN RECOGNITIONАлгоритм предварительной обработки данных линейки приборов с зарядовой связью на основе адаптивного фильтра ВинераAlgorithm for preliminary processing of charge coupled devices array data based on the adaptive Wiener filterЛитвиновичГ. С.LitvinovichHl. S.

Литвинович Глеб Святославович, младший научный сотрудник

ул. Курчатова, 7, Минск, 220045

Hleb S. Litvinovich, Junior Researcher

st. Kurchatova, 7, Minsk, 220045

litvinovichgs@yandex.byБручковскийИ. И.BruchkouskiI. I.

Бручковский Илья Игоревич, научный сотрудник

ул. Курчатова, 7, Минск, 220045

Ilya I. Bruchkouski, Researcher

st. Kurchatova, 7, Minsk, 220045

bruchkovsky2010@yandex.byИнститут прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко Белорусского государственного университетаA. N. Sevchenko Institute of Applied Physical Problems of Belarusian State University2021290320211817283Copyright © Литвинович Г.С., Бручковский И.И., 20212021Литвинович Г.С., Бручковский И.И.Litvinovich H.S., Bruchkouski I.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://inf.grid.by/jour/article/view/1102

Для применения спектрометров в задачах дистанционного зондирования Земли исследователю необходимо выбирать режимы регистрации спектров, позволяющие добиться наивысшей точности спектральных измерений. При регистрации сигнала с борта авианосителей, обеспечивающих максимальный охват исследуемой территории, важно получить данные с максимальным отношением сигнал-шум за минимальное время, поскольку накопление выборки спектров для последующего усреднения невозможно. В работе представлены экспериментальные результаты определения компонентов шума (шума считывания; фотонного, электронного дробового и структурного шумов) для монохромной неохлаждаемой ПЗС-линейки Toshiba TCD1304DG (ПЗС – приборы с зарядовой связью) при различных условиях регистрации спектра: температуре детектора, времени экспозиции. Полученные зависимости компонентов шума позволяют оценить уровень шума для известных условий регистрации спектров. Предлагается алгоритм обработки данных ПЗС на основе адаптивного фильтра Винера с целью увеличения соотношения сигнал-шум путем использования априорной информации о статистических параметрах компонентов шума. Такой подход позволил увеличить отношение сигнал-шум спектров яркости небесной сферы на 4–9 дБ при регистрации сигнала на различных временах экспозиции. Практическое применение предлагаемого алгоритма уменьшило неопределенность расчета вегетационного индекса NDVI в 1,5 раза при регистрации спектров отражения растительности с борта самолета в надирной геометрии измерений.

The researcher should choose the modes of recording spectra which allow to achieve the highest accuracy of spectral measurements in remote sensing systems. When registering a signal from aircraft which provide maximum coverage of the studied area, it is important to obtain a signal with the maximum signal-to- noise ratio in a minimum time, since the accumulation of spectra samples for averaging is impossible. The paper presents the experimental results of determining the noise components (readout noise, photon, electronic shot, pattern noise) for a monochrome uncooled CCD-line detector Toshiba TCD1304DG (CCD – charge-coupled devices) with various conditions of spectrum registration: detector temperature, exposition. Obtained dependences of the noise components make it possible to estimate the noise level for well-known conditions of spectra registration. The algorithm for processing CCD data based on an adaptive Wiener filter is proposed to increase the signal-to-noise ratio by using a priori information about the statistical parameters of the noise components. Such approach has allowed to increase the signal-to-noise ratio of sky spectral brightness by 4–9 dB for exposure times. The practical application of the algorithm has reduced the uncertainty in the vegetation index NDVI by 1.5 times when recording the reflection spectra of vegetation from the aircraft in the nadir measurement geometry.

линейка ПЗСшум детекторафотонный шумшум считыванияэлектронный дробовый шумфильтр Винератемпература детекторавегетационный индексCCD-line detectordetector noisephoton noisereadout noiseelectron shot noiseWiener filterdetector temperaturevegetation indexReferencesA technique for evaluation of CCD video-camera noise / K. Irie [et al.] // IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology. – 2008. – Vol. 18, iss. 2. – P. 280–284.Irie K., McKinnon A. E., Unsworth K., Woodhead I. M. A technique for evaluation of CCD video-camera noise. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2008, vol. 18, iss. 2, pp. 280–284. https://doi.org/10.1109/TCSVT.2007.913972.A model for measurement of noise in CCD digital-video cameras / K. Irie [et al.] // Measurement Science and Technology. – 2008. – Vol. 19, no. 4. – P. 1–5.Irie K., McKinnon A. E., Unsworth K., Woodhead I. M. A model for measurement of noise in CCD digital-video cameras. Measurement Science and Technology, 2008, vol. 19, no. 4, pp. 1–5. https://doi.org/10.1088/0957-0233/19/4/045207.Матюхин, В. В. Модель шума фоточувствительной матрицы Dalsa CM42M / В. В. Матюхин, Д. Г. Паринов, Е. А. Татаринова // Прикладная физика. – 2017. – № 6. – С. 60–67.Matyuhin V. V., Parinov D. G., Tatarinova E. A. Model' shuma fotochuvstvitel'noj matricy Dalsa CM42M [Dalsa CM42M photosensitive matrix noise model]. Prikladnaya fizika [Applied Physics], 2017, no. 6, pp. 60–67 (in Russian).Литвинович, Г. С. Методика определения характеристик спектрального прибора для геофизических наблюдений / Г. С. Литвинович, И. И. Бручковский, С. И. Бручковская // Cовременные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса : тез. докл. XV Всерос. откр. конф., Москва, 13–17 нояб. 2017 г. / Институт космических исследований Российской академии наук ; ред. : Л. М. Зеленый [и др.]. – М., 2017. – С. 139.Litvinovich G. S., Bruchkovskij I. I., Bruchkovskaya S. I. Metodika opredeleniya harakteristik spektral'nogo pribora dlya geofizicheskih nablyudenij [Technique for determining the characteristics of a spectral instrument for geophysical observations]. Sovremennye problemy distancionnogo zondirovanija Zemli iz kosmosa : tezisy dokladov XV Vserossijskoj otkrytoj konferencii, Moskva, 13–17 nojabrja 2017 g. [Modern Problems of Remote Sensing of the Earth from Space: Abstracts of the XV All-Russian Open Conference, Moscow, 13–17 November 2017], Moscow, 2017, р. 139.Алгоритм коррекции дифракции второго порядка в спектрометре с вогнутой дифракционной решеткой / С. И. Бручковская [и др.] // Журн. приклад. спектроскопии. – 2019. – Т. 86, № 4. – С. 620–627.Bruchkovskaya S. I., Litvinovich G. S., Bruchkovskij I. I., Katkovskij L. V. Algoritm korrekcii difrakcii vtorogo poryadka v spektrometre s vognutoj difrakcionnoj reshetkoj [Algorithm of second-order diffraction correction in the spectrometer with a concave diffraction grating]. Zhurnal Prikladnoii Spektroskopii [Journal of Applied Spectroscopy], 2019, vol. 86, no. 4, pp. 620–627 (in Russian).Энергетическая калибровка оптических съемочных систем дистанционного зондирования / И. М. Цикман [и др.] // Метрология и приборостроение. – 2012. – № 3(58). – С. 13–20.Cikman I. M., Belyaev Yu. V., Popkov A. P., Kakshinskij F. A. Energeticheskaya kalibrovka opticheskih s’emochnyh sistem distancionnogo zondirovaniya [Energy calibration of optical imaging systems for remote sensing]. Metrologiya i priborostroenie [Metrology and Instrumentation], 2012, no. 3(58), pp. 13–20 (in Russian).Kacker, R. Guidelines for Radiometric Calibration of Electro-Optical Instruments for Remote Sensing / R. Kacker. – National Institute of Standards and Technology, 2015. – 131 p.Kacker R. Guidelines for Radiometric Calibration of Electro-Optical Instruments for Remote Sensing. National Institute of Standards and Technology, 2015, 131 p.Ferrero, A. Low-uncertainty absolute radiometric calibration of a CCD / A. Ferrero, J. Campos, A. Pons // Metrologia. – 2006. – Vol. 43, no. 2. – P. 17–21.Ferrero A., Campos J., Pons A. Low-uncertainty absolute radiometric calibration of a CCD. Metrologia, 2006, vol. 43, no. 2, pp. 17–21.Князев, М. Г. Расчет пороговых значений потока излучения и освещенности для ПЗС матриц KODAK KAI-1003M, KODAR KAI-1020, PHILIPS FTF3020M / М. Г. Князев, А. В. Бондаренко, И. В. Докучаев // Цифровая обработка сигналов. – 2006. – № 3. – С. 49–56.Knyazev M. G., Bondarenko A. V., Dokuchaev I. V. Raschet porogovyh znachenij potoka izlucheniya i osveshchennosti dlya PZS matric KODAK KAI-1003M, KODAR KAI-1020, PHILIPS FTF3020M [Calculation of threshold values of radiation flux and illumination for CCD matrices KODAK KAI-1003M, KODAR KAI-1020, PHILIPS FTF3020M]. Cifrovaya obrabotka signalov [Digital Signal Processing], 2006, no. 3, pp. 49–56 (in Russian).Jae, S. Lim. Two-Dimensional Signal and Image Processing / Lim Jae S. – Prentice Hall PTR, 1989. – 694 p.Lim Jae S. Two-Dimensional Signal and Image Processing. Prentice Hall PTR, 1989, 694 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.