Многощелевая гиперспектральная камера с комбинированным отслеживанием изображения
MULTI-SLOT HYPERSECTRAL CAMERA WITH COMBINED IMAGE TRACKING

Изобретение относится к гиперспектрометрам, а более конкретно к устройствам гиперспектральной регистрации оптического излучения и может быть использовано для дистанционного зондирования объектов различной природы с подвижных аппаратов (космический аппарат, самолет, вертолет, беспилотное летающее устройство), обеспечивая идентификацию объектов и их элементного состава.
Известен авиационный гиперспектрометр видимого и ближнего инфракрасного диапазонов содержащем входную телескопическую систему, однощелевую диафрагму, вырезающую изображение узкой полоски зондируемой поверхности, коллиматор, спектроделитель и оптоэлектронный блок, включающий выходной объектив и фотоприемное устройство. Недостатком данного технического решения является недостаточная чувствительность функционирования однощелевых гиперспектральных камер. (Орлов А.Г., «Разработка и исследование авиационного гиперспектрометра видимого и ближнего ИК диапазонов», опубликовано 2008. http://iki.cosmos.ru/rus/orl.pdf.)
Наиболее близким к заявляемому изобретению является многощелевой спектрометр, содержащий: многощелевую структуру, определенную набором параллельно расположенных щелей; входную оптическую структуру, направляющую излучение от объекта в многощелевую структуру; световой диспергирующий элемент; оптическую коллимационную систему, которая коллимирует и направляет световое излучение, прошедшее через многощелевую структуру на диспергирующий элемент; оптическую фокусирующую структуру, предназначенную для фокусирования излучения прошедшего через диспергирующий элемент на фокальную плоскость и матричного фотоприемного устройства, которое размещено в плоскости формирования изображения. При этом фотоприемное устройство состоит из отдельных пикселей каждый из которых обладает размером «ширина» в перпендикулярном щелям направлении, вышеупомянутые щели расположены на равном расстоянии друг от друга, и это расстояние является кратным к размеру «ширина» матричного фотоприемника и равняется NM+1 или NM-1, где М - количество щелей, а N - целое. По п. 15 заявленного изобретения известен многощелевой спектрометр, установленный на авиационном носителе, состоящий из: многощелевой структуры, состоящей из множества параллельно расположенных тонких щелей, входной оптической структуры, направляющей излучение от объекта в многощелевую структуру, светового диспергирующего элемента, коллимационной оптической структуры, направляющей излучение, вышедшее из многощелевой структуры в диспергирующий элемент, оптической фокусирующей структуры, фокусирующей излучение, прошедшее через диспергирующий элемент на фокальную плоскость, Оптические схемы адаптированы для формирования изображения от нескольких щелей многощелевой структуры. Помимо этого спектрометр дополнительно оснащен зеркалом, которое направляет излучение от исследуемых объектов во входную оптическую структуру, зеркало поворачивается с угловой скоростью, сопровождая исследуемые объекты в течение времени накоплении. Поворотное устройство функционирует в соответствии с командами контроллера, учитывающего скорость и высоту авиационного носителя. (Описание к изобретению US №6122051 опубликовано 19.09.2000). Недостатком указанного технического решения является механический способ отслеживания изображения за счет крупногабаритных подвижных элементов конструкции, что не позволяет обеспечить достаточную равномерность их движения, это в свою очередь приводит к дополнительному смазу изображения, ухудшая его качество. Также использование дополнительного оптического элемента в виде зеркальной поверхности, расположенной перед входным зрачком входного объектива, вносит дополнительные оптические искажения, что также негативно влияет на качество изображения.
При решении задач панхроматической или мультиспектральной съемки Земной поверхности существует универсальный метод увеличения сигнала, основанный на режиме временной задержки и накопления (ВЗН). Этот метод, за счет электронного отслеживания изображения, позволяет увеличить значение сигнала в десятки или сотни раз, а значит величина сигнально-шумовой характеристики прибора определяется только динамическим диапазоном фотоприемного устройства. Но в гиперспектральной камере (ГСК) ввиду конструктивных особенностей прибора прямое использование данного режима невозможно, а следовательно, в ГСК присутствует принципиальное ограничение, препятствующее дальнейшему развитию таких систем, связанное с нехваткой сигнала. Ограничение в развитии присутствует в части: увеличения пространственного разрешения, увеличения спектрального разрешения и при съемке объектов с низкой освещенностью.
В работах (Ansley D.A., Cook L.G. Multi-slit spectrometer. 1998. US 6122051 А.], [Valle Т., Hardesty С., Davis С., Tufillaro N., Stephens M., Good W., Spuhler P. Multi-Slit Optimized Spectrometer: An Innovative Design for Geostationary Hyperspectral Imaging // Optical Remote Sensing of the Environment. Monterey. 2012) исследована возможность увеличения чувствительности гиперспектрального прибора за счет применения многощелевой структуры. Данный подход является усовершенствованным методом тангажного замедления, а основной принцип сводится к увеличению эффективного времени накопления. Рассмотрим функционирование стандартной ГСК с одной щелью в режиме тангажного замедления. На Фиг. 2.а показана малая область поз. 1, заметаемая щелью в таком режиме съемки, но подспутниковая точка перемещается на большее расстояние области, поз. 1 и 2. В этом случае изображение подстилающей поверхности не формируется полностью, а состоит из отдельных фрагментов.
В случае функционировании многощелевой ГСК принцип съемки основан на пространственном разделении проекций щелей вдоль полета. Расстояние между щелями, периодичность и длительность одного цикла сканирования подобраны таким образом, что дополнительные щели снимают недостающие области подстилающей поверхности (ПП) Фиг. 2.б. То есть в процессе съемки формируется непрерывный трек изображения ПП с повышенным значением чувствительности. В заявляемом изобретении предлагается производить синхронное сопровождение движущегося изображения в двух ключевых элементах: многощелевой структуре и фотоприемном устройстве (ФПУ), выполненном в виде жидкокристаллического дисплея (ЖК-дисплей) или в виде микрозеркальной матрицы (МКМ).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение чувствительности гиперспектральной камеры за счет использования механизма комбинированного отслеживания изображения. Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в повышении чувствительности гиперспектральной камеры при одновременном сохранении качества изображения.
Указанный технический результат достигается за счет того, что многощелевая гиперспектральная камера с комбинированным отслеживанием изображения содержит расположенные вдоль оптического хода лучей входной объектив поз. 1 Фиг. 1а, б, щелевую структуру, выполненную в виде ЖК-дисплея с возможностью подключения к управляющему контроллеру поз. 2 Фиг. 1а или в виде микрозеркальной матрицы с возможностью подключения к управляющему контроллеру поз. 7 Фиг. 1б, при этом в качестве входного объектива используют широкоугольный объектив, коллимационный объектив поз. 3 Фиг. 1а, б, диспергирующий элемент, который может быть выполнен в виде призмы прямого зрения Амичи поз. 4 Фиг. 1а, б, выходной объектив поз. 5 Фиг. 1а, б, фотоприемное устройство, которое выполнено в виде строчно-кадровой ПЗС-матрицы, работающей в режиме ВЗН поз. 6 Фиг. 1а, б.
Заявляемое изобретение и пояснения его работы приведены на следующих чертежах.
На Фиг. 1а. представлена принципиальная схема многощелевой гиперспектральной камеры с комбинированным отслеживанием изображения, где:
1 - входной объектив;
2 - щелевая структура, выполненная в виде жидкокристаллического дисплея с возможностью подключения к управляющему контроллеру;
3 - коллимационный объектив;
4 - диспергирующий элемент, выполнен в виде призмы прямого зрения Амичи;
5 - выходной объектив;
6 - строчно-кадровая ПЗС-матрица, работающая в режиме ВЗН с возможностью подключения к управляющему контроллеру.
На Фиг. 1б. представлена принципиальная схема многощелевой гиперспектральной камеры с комбинированным отслеживанием изображения, где:
1 - входной объектив;
7 - щелевая структура, выполненная в виде микрозеркальной матрицы с возможностью подключения к управляющему контроллеру;
3 - коллимационный объектив;
4 - диспергирующий элемент, выполненный в виде призмы прямого зрения Амичи;
5 - выходной объектив;
6 - строчно-кадровая ПЗС-матрица, работающая в режиме ВЗН, с возможностью подключения к управляющему контроллеру.
На Фиг. 2а. представлен маршрут при съемке однощелевой гиперспектральной камерой, где:
8. Область, заметаемая щелью, при съемке в первой итерации сканирования.
9. Область, пропущенная при сканировании в первой итерации.
10. Область, заметаемая щелью, при съемке во второй итерации сканирования.
11. Область, пропущенная при сканировании во второй итерации.
На Фиг. 2б. представлен маршрут при съемке многощелевой гиперспектральной камерой, где:
12. Область, заметаемая первой щелью в первой итерации сканирования.
13. Область, заметаемая второй щелью в первой итерации сканирования.
14. Область, заметаемая третьей щелью в первой итерации сканирования.
15. Область, заметаемая четвертой щелью в первой итерации сканирования.
16. Область, заметаемая первой щелью во второй итерации сканирования.
17. Область, заметаемая второй щелью во второй итерации сканирования.
18. Область, заметаемая третьей щелью во второй итерации сканирования.
19. Область, заметаемая четвертой щелью во второй итерации сканирования.
На Фиг. 3.1-3.2 представлена структурная схема алгоритма управления многощелевой гиперспектральной камерой с комбинированным отслеживанием изображения.
Многощелевая гиперспектральная камера с комбинированным отслеживанием изображения работает следующим образом. Отраженные, рассеянные и излученные фотоны от исследуемых объектов подстилающей поверхности попадают во входной объектив. Данный объектив формирует изображение на ЖК-дисплее или МКМ. На ЖК-дисплее или МКМ с помощью управляющего контроллера формируется щелевая структура в виде отдельных строк, каждая из которых выполняет роль щели. Организация тактирования ЩС по ЖК-дисплею или МКМ позволяет производить сопровождение движущегося изображения.
Каждая щель щелевой структуры направляет изображение узкого участка подстилающей поверхности в коллимационный объектив. Далее лучи проходят через коллимационный объектив и попадают на диспергирующий элемент. В качестве диспергирующего элемента предпочтительно использовать призму Амичи, поскольку в такой призме присутствует заданная спектральная длина волны, для которой угол отклонения равен нулю. В качестве заданной спектральной длины волны предлагается использование центральной длины волны. То есть при использовании такой призмы для центральной длины волны оси коллимационного и выходного объектива совпадают, а следовательно, в оптической системе не возникают дополнительные оптические искажения, связанные с работой коллимационного и выходного объектива в наклонном пучке. После диспергирующего элемента разложенные по спектру лучи с помощью выходного объектива фокусируются на фотоприемное устройство. В качестве фотоприемного устройства предлагается использовать строчно-кадровую ПЗС-матрицу, работающую в режиме ВЗН. Наличие режима ВЗН в строчно-кадровой ПЗС-матрицы требуется для реализации электронного отслеживания изображения. Реализация режима ВЗН раскрыта в источнике информации: Щербина Г.А. “Реализация режима ВЗН на базе строчно-кадровой ПЗС матрицы” // Журнал Радиоэлектроники. 2014. №6.
Предлагаемый алгоритм управления работы камеры предназначен для проведения съемки и направлен на получение конечного продукта - набора спектральных изображений подстилающей поверхности и показан на Фиг. 3. При проведения съемки работа камеры состоит из трех вложенных циклов.
- Внешний по номеру сканирования. На Фиг. 2б показаны две итерации сканирования, так за первую итерацию сканирования формируется набор спектральных изображений областей 1-4, а за вторую 5-8. В начале каждой итерации сканирования осуществляется перевод щелевой структуры в ЖК-дисплее (МКМ) в первоначальное пространственное положение. При формировании непрерывного трека изображения выполняется совмещение областей от различных щелей внутри каждой итерации сканирования. А также после выполнения последней итерации сканирования производится совмещение областей различных итераций сканирования.
- Средний по номеру линейного участка внутри области одной щели, внутри одной итерации сканирования. С управляющего контроллера подается синхросигнал который поступает на: ФПУ и является импульсом начала кадра; ЖК-дисплей (МКМ) и является импульсом начала сопровождения нового линейного участка. Таким образом, начало съемки и сопровождения линейного участка задается управляющим контроллером. Частота следования синхроимпульсов управляющего контроллера определяется с учетом: высоты и скорости носителя, а также величины пространственного разрешения вдоль вектора скорости полета. После проведения съемки всех линейных участков внутри области одной щели внутри одной итерации сканирования производится составление спектральных откликов каждого линейного участка и формируется общий набор спектральных изображений каждой щели для одной итерации сканирования.
- Внутренний по номеру шага сопровождения одного линейного участка, внутри области одной щели, внутри области одной итерации сканирования. Во внутреннем цикле осуществляется сопровождение изображения в двух ключевых элементах ФПУ и ЖК-дисплее (МКМ). В ФПУ сопровождение изображения выполнено за счет режима ВЗН в строчно-кадровой ПЗС-матрице, с параметром работы: тактовое время переноса зарядовых пакетов на одну строку равно времени пролета изображением одной строки. В ЖК-дисплее (МКМ) щелевая структура представляет собой ряд параллельно расположенных линейных отрезков, каждый из которых выполняет функцию щели. Тактирование щелевой структуры по ЖК-дисплею (МКМ) синхронизовано с ФПУ, а именно: время начала кадра в ФПУ совпадает со временем начала сопровождения линейных участков в ЖК-дисплее (МКМ). Перед проведением первого этапа накопления щелевая структура не тактируется. На 2-м и последующих шагах накопления щелевая структура тактируется Nн-1 раз (Nн - количество шагов накопления, количество шагов накопления равно или менее количества щелей в ГСК) на расстояние - одна строка вдоль направления бега изображения и с периодом, равным времени пролета изображением одной строки ЖК-дисплея (МКМ).