Авиационный гиперспектрометр ближнего инфракрасного диапазона

Заявляемая полезная модель относится к спектрометрии, а более конкретно к устройству для получения гиперспектральных изображений (т.е. изображений, имеющих пространственную и спектральную координаты) в диапазоне 900-1700 нм.
Современные гиперспектрометры авиационного базирования позволяют получать высокодетальную пространственную и спектральную информацию о типе и состоянии зондируемых природных и антропогенных объектов земной поверхности, а также о различных динамических процессах, например процессах горения и взрыва. Интерес, проявляемый к таким приборам, объясняется тем, что гиперспектральные данные об исследуемых объектах и явлениях заключают в себе максимальное количество полезной информации, содержащейся в поступающем в сенсор излучении.
В связи с этим, данные гиперспектральных измерений особенно полезны для решения таких сложных научных и прикладных задач, как исследование зависимости спектральных сигнатур зондируемых объектов от параметров их состояния, обнаружение малоразмерных объектов на фоне подстилающей поверхности, идентификацию состава объектов и происходящих в них процессов, определение различий между очень близкими классами объектов, оценку их биохимических и геофизических параметров и т.п. Действительно, оптические спектры различных материалов, чей состав становится известен, благодаря модельным расчетам, лабораторным и натурным полигонным измерениям, собираются в библиотеки или базы данных (БД) спектральных сигнатур вместе с набором связанных с ними предметно-специфических характеристик (ПСХ) - параметров состояния зондируемых объектов. Эти библиотеки и БД используются для автоматизированного дешифрирования гиперспектральных снимков и последующего решения задач дистанционного зондирования.
В настоящее время в России и за рубежом все больший интерес проявляется к использованию гиперспектрометров ближнего ИК-диапазона для дистанционного зондирования земной поверхности с борта космических и летательных аппаратов. Существует ряд задач в области дистанционного зондирования, которые могут быть решены только с использованием гиперспектральных технологий. Специфика работы гиперспектрометра ближнего ИК-диапазона и, в частности диапазона 900-1700 нм, состоит в том, что спектр принимаемого им сигнала является особенно чувствительным к ряду важных экологических и биосферных процессов и, в частности абиотическим процессам, протекающим в растительном покрове. Такие процессы часто связаны с дефицитом влаги в листьях, недостатком питательных веществ в почве, а также с влиянием неблагоприятных факторов окружающей среды, например воздействием озона и т.п.
200
300
Известен авиационный гиперспектрометр для спектрального диапазона 200-300 нм, содержащий блок входной телескопической системы, включающей установленные на одной оптической оси по ходу лучей входной объектив, щелевую диафрагму, вырезающую изображение узкой полоски зондируемой поверхности, коллиматор и оптоэлектронный блок, включающий выходной объектив и фотоприемное устройство с матрицей, а между названными блоками размещен диспергирующий блок, который выполнен в виде призмы из оптического материала со средней дисперсией n-n=0,062 с углом при вершине призмы α, равным 65°±30'', причем угол между оптической осью блока входной телескопической системы и гранью призмы, обращенной к названной системе, составляет β=35°10'±1' (патент RU № 130699, МПК G01J 3/02, опубл. 27.03.2013).
Основной особенностью известного гиперспектрометра является то, что его спектральный диапазон ограничен 200-300 нм и не захватывает полосу длин волн до 1700 нм.
Технической задачей настоящей полезной модели является создание гиперспектрометра для детектирования излучения ближнего ИК диапазон 900-1700 нм.
в
Техническим результатом является возможность формирования гиперспектрального изображения земной поверхности в диапазоне длин волн λ=900-1700 нм узкой поперечной полосой области обзора при перемещении летательного аппарата и достижение минимально возможных габаритов гиперспектрометра.
в
Поставленная техническая задача и результат достигаются тем, что в гиперспектрометре, содержащем блок входной телескопической системы, включающей установленные на одной оптической оси по ходу лучей входной объектив, щелевую диафрагму, вырезающую изображение узкой полоски зондируемой поверхности, коллиматор и оптоэлектронный блок, включающий выходной объектив, которые образуют вместе оптическую систему, и фотоприемное устройство с матрицей, а между названными блоками размещен диспергирующий блок, коллиматор выполнен в виде двух секций, между которыми под углом к ходу лучей установлено зеркало, а диспергирующий блок выполнен в виде дифракционной решетки с числом штрихов, соответствующих характеристикам оптической системы. Оптимальное число штрихов дифракционной решетки составляет 90 на мм, угол блеска 3,26 для длины волны λ=1250 нм, рабочий порядок спектра первый. Зеркало устанавливают под углом 45° к ходу лучей и изготавливают из стекла с алюминиевым напылением. Отражающая дифракционная решетка может быть выполнена плоской на стеклянной подложке, например марки KB, которая обладает малым термическим расширением и высокой вибрационной устойчивостью, покрытие решетки выполнено из алюминия. В качестве фотоприемного устройства возможно применение камеры с матрицей Alcatel-Thales III-V Lab InGaAs PIN-фотодиод с термоэлектрическим охлаждением, интеллектуальной системой коррекции по трем точкам изображения, разрешением 320×256, с пикселом линейным размером 30 мкм. Гиперспектрометр предназначен для функционирования в диапазоне 900-1700 нм. Корпус гиперспектрометра может быть выполнен в виде герметичного блока с заполнением внутреннего объема сухим азотом особой чистоты 1 сорта, причем он может снабжаться системой термостабилизации за счет подогрева оптико-механических узлов.
Существо полезной модели поясняется на представленных фигурах.
Фиг. 1 - оптическая схема предлагаемого авиационного гиперспектрометра ближнего инфракрасного диапазона;
фиг. 2. - фотография внешнего вида гиперспектрометра;
фиг. 3. - фотография гиперспектрометра с открытой крышкой;
фиг. 4. - псевдоцветное (RGB) изображение, полученное гиперспектрометром, фотографии которого приведены на фиг. 3 и фиг. 4;
в
фиг. 5. - спектр в круге, показанном на фиг. 4, где СКЯ - спектральный коэффициент яркости; λ - длина волны.
Предлагаемый гиперспектрометр имеет входной объектив 1, диафрагменный узел 2, коллиматор 3, который состоит из двух секций 4 и 5. Названные секции установлены под углом друг к другу, оптимальное значение угла - 90°, между секциями 4 и 5 коллиматора размещено зеркало 6. За секцией 5 коллиматора установлен диспергирующий блок, выполненный в виде дифракционная решетки 7. Далее по ходу лучей установлен выходной объектив 8 и фотоприемное устройство 9.
в
Устройство функционирует следующим образом (фиг. 1). Излучение ближнего ИК диапазона попадает во входной объектив 1. Объектив служит для формирования изображения в фокальной плоскости диафрагменного узла 2, щель которого вырезает узкую полосу зондируемой поверхности узкой щели шириной 30 мкм. Далее это изображение проходит через коллиматор 3. Так как для уменьшения габаритов коллиматор выполнен из двух секций 4 и 5, изображение после первой секции 4 попадает на отклоняющее зеркало 6, а затем проходит вторую часть 5 коллиматора. Совместно с коллиматором 3 входной объектив образует телескопическую систему, направляющую излучение в диспергирующий блок 7. В качестве диспергирующего блока применена дифракционная решетка. Оптимальное число штрихов дифракционной решетки составляет 90 на мм, угол блеска 3,26 для длины волны λ=1250 нм, рабочий порядок спектра первый. После диспергирующего блока (дифракционной решетки) разложенное по спектру изображение через выходной объектив 8 попадает на матрицу фотоприемного устройства 9, на которой формируется гиперспектральное изображение.
В качестве фотоприемного устройства возможно применение различных камер, например, камеры с матрицей Alcatel-Thales III-V Lab InGaAs PIN-фотодиод с термоэлектрическим охлаждением, интеллектуальной системой коррекции по трем точкам изображения, спектральным диапазоном 900-1700 нм, разрешением 320×256, с пикселом линейным размером 30 мкм. Корпус гиперспектрометра может быть выполнен в виде герметичного блока (фиг. 2) с заполнением внутреннего объема (фиг. 3) азотом особой чистоты 1 сорта, причем он может снабжаться системой термостабилизации за счет подогрева оптико-механических узлов. Спектральный диапазон гиперспектрометра - 900-1700 нм. Основные характеристики разработанного гиперспектрометра приведены ниже.
Результаты применения на практике предлагаемого гиперспектрометра иллюстрируются на фиг. 4 и 5. Фотография псевдоцветного (RGB) изображения, полученная гиперспектрометром показана на фиг. 4, а на фиг. 5 показан спектральный коэффициент яркости для участка, выделенного на фиг. 4 кругом.
Промышленная применимость гиперспектрометра подтверждена приведенным выше примером. Гиперспектрометр может найти свое применение в лабораторных исследованиях процессов горения и взрыва, в геммологических экспериментах, в дистанционном зондировании земли для мониторинга состояний сельскохозяйственных угодий и лесных массивов, обнаружения и контроля пожаров, определения экологического состояния воздушного и водного бассейнов городов, систем городских коммуникаций и во многих других областях науки и техники.