АВИАЦИОННЫЙ ГИПЕРСПЕКТРОМЕТР

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 200-300 нм.
В настоящее время в мировой практике наблюдается тенденция все более активного использования гиперспектрометров УФ 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 ультрафиолетового диапазона и, в частности, диапазона 200-300 нм состоит в том, что такое излучение сильно поглощается молекулами озона и поэтому зондирование Земли из космоса ограничивается практически изучением собственно озонового слоя. Перспективно также изучение процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы, стратосфере, мезосфере, например, таких, как транзиентные люминесцентные излучения - спрайты, джеты, эльфы и др.
Тем не менее, ультрафиолетовый гиперспектрометр диапазона 200-300 нм наиболее перспективен для дистанционного зондирования Земли с авиационных носителей.
Авиационный мониторинг в указанной области интересен еще тем, что этот диапазон имеет сравнительно низкий уровень фоновых помех, вследствие указанного выше поглощения УФ-С радиации Солнца озоновым слоем.
Практическое отсутствие естественных помех, обусловленных солнечной радиацией, низкий уровень фоновых помех в диапазоне 200 - 300 нм, делает этот «солнечнослепой» диапазон весьма привлекательным для создания фотометрической аппаратуры, решающей различные технические задачи.
Известен гиперспектрометр, используемой для дистанционного зондирования земной поверхности, 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, между названными блоками размещен диспергирующий блок (Калинин А.П., Орлов А.Г. и Родионов И.Д., «Вестник московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана», №3 (64), 2006 г. с.11-25.).
Недостатком этого гиперспектрометра является невозможность регистрировать излучение в диапазоне 200 - 300 нм.
Технической задачей настоящей полезной модели является создание гиперспектрометра для детектирования ультрафиолетового излучения в диапазоне с 200 - 300 нм.
Техническим результатом является возможность формирования гиперспектрального изображения земной поверхности в диапазоне длин волн 200-300 нм узкой полосой области обзора при перемещении летательного аппарата вдоль трассы (гиперспектрометр типа push-broom).
200
300
Поставленные техническая задача и результат достигаются в результате того, что в гиперспектрометре, содержащем входную телескопическую систему, включающую 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 входной телескопической системы с и гранью призмы, обращенной к названной системе, составляет β=35°10'±1', что позволяет проецировать гиперспектральное изображение в плоскости фотоприемной матрицы в спектральном диапазоне 200-300 нм на ширину порядка 11 мм. Призма может быть выполнена из кварца, а качестве фотоприемного устройства использована камера INTEVAK MICROVISTA UV1, имеющая матрицу CMOS.
Существо полезной модели поясняется на представленных фигурах.
- Фиг.1. Схема гиперспектрометра, который принят за прототип (Калинин А.П., Орлов А.Г. и Родионов И.Д., «Вестник московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана», №3 (64), 2006 г. с.11-25.).
- Фиг.2 Схема предлагаемого авиационного гиперспектрометра на спектральный диапазон 200-300 нм
- Фиг.3. Схема диспергирующего узла предлагаемого гиперспектрометра.
- Фиг.4 Схема, иллюстрирующая формирование изображения авиационным гиперспектрометром.
Устройство, которое принято за прототип (фиг.1), имеет блок входной телескопической системы, включающей установленные на одной оптической оси по ходу лучей входной объектив 1, щелевую диафрагму 2, коллиматор 3. За коллиматором 3 размещен диспергирующий блок 4, к которому крепится оптоэлектронный блок, включающий выходной объектив 5 и фотоприемное устройство 6 с матрицей.
200
300
Предлагаемое устройство имеет входной блок, содержащий входную телескопическую систему, включающую установленные на одной оптической оси по ходу лучей входной объектив 1, щелевую диафрагму 2, вырезающую изображение узкой полоски зондируемой поверхности, и коллиматор 3. За входным блоком по ходу лучей расположен диспергирующий блок 4. Противоположной к входному блоку стороной диспергирующий блок крепится к оптоэлектронному блоку, содержащему выходной объектив 5 и фотоприемное устройство 6 с матрицей. Диспергирующий блок 4 выполнен в виде призмы 7 (фиг.3) из оптического материала со средней дисперсией n-n=0,062 с углом при вершине призмы α, равным 65°±30”, причем угол между оптической осью входной телескопической системы с и гранью призмы, обращенной к названной системе, составляет β=35°10'±1;, что позволяет проецировать гиперспектральное изображение в плоскости фотоприемной матрицы в спектральном диапазоне 200-300 нм на ширину порядка 11 мм. Призма может быть выполнена из кварца, например, кварца марки КУ-1, а качестве фотоприемного устройства возможно применение камеры INTEVAK MICROVISTA UV1, которая имеет матрицу CMOS.
Устройство функционирует следующим образом. Ультрафиолетовое излучение попадает во входной объектив 1. Объектив служит для формирования изображения в фокальной плоскости щелевой диафрагмы 2, выполненной в виде узкой щели шириной 60 мкм. Далее это изображение проходит через коллиматор 3. Совместно с коллиматором 3 входной объектив образует телескопическую систему, направляющую излучение в диспергирующий блок 4 (фиг.3). В качестве диспергирующего элемента названного блока применена кварцевая призма 7. После кварцевой призмы 7 разложенное по спектру изображение через выходной объектив 5 попадает на матрицу фотоприемного устройства 6, на которой формируется гиперспектральное изображение.
Призма 7 служит для разложения излучения по длинам волн и проецирования УФ-С излучения в диапазоне 200-300 нм на фоточувствительную матрицу. Более длинные и короткие длины волн оказываются вне матрицы.
Пример практической реализации предлагаемого устройства.
При проектировании к оптической системе гиперспектрального модуля предъявлялись следующие требования по размеру пятен рассеяния для всех точек поля:
среднеквадратичная величина диаметра должна составлять не более 13 мкм. Данное условие обусловлено требованиями на угловое и спектральное разрешения гиперспектрометра. Для выполнения данного требования телескопическая система была рассчитана с качеством изображения выше требуемого, поскольку, последующая часть оптической системы (диспергирующий элемент и проекционный объектив) вносят дополнительные аберрации.
6
2
В качестве фотоприемного устройства была применена камера INTEVAK MICROVISTA UV1, имеющая матрицу CMOS (1,3*10 квадратных пикселов со стороной 10,8 мкм, размер матрицы 13,8×11,6 мм), выполненную по технологии с обратной засветкой, обеспечивающую чувствительность в УФ спектральном диапазоне.
Ниже приведены основные технические характеристики разработанного УФ-С гиперспектрометра.
Полное поле зрения
не менее 1 рад поперек траектории
Угловое разрешение
не более 2 мрад
Спектральный диапазон
200 нм - 300 нм
Количество спектральных диапазонов
не менее 100,
Спектральное разрешение
не более 1 нм (ширина на полувысоте на 250 нм)
Апертура
f/4,5
Динамический диапазон
не менее 4096:1 (12 бит)
Отношение сигнал/шум
не менее 1000:1 (в пике)
Точность абсолютной калибровки
±0,5%
Скорость считывания данных
не менее 25 Мпиксел/сек
Рабочая температура
от минус 40°С до +55°С
Температура хранения
от минус 55°С до +85°С
Максимальная высота применения
не менее 12000 м
Рисунок, представленный на фиг.4, иллюстрирует формирование гиперспектрального изображения вдоль трассы полета узкой полосой области обзора “АВ”. благодаря наличию узкой щели и поступательному движению носителя (в английской терминологии типа push-broom), позволяющему получать гиперспектральные изображения в диапазоне длин волн 200-300 нм.
Гиперспектральная информация УФ-С диапазона, получаемая при использовании авиационного гиперспектрометра, предназначена для использования в следующих областях науки, техники и народного хозяйства.
Наука: исследование физических процессов, происходящих в верхней атмосфере, стратосфере и мезосфере; изучение динамики озонового слоя Земли; исследование процессов горения и взрыва.
Техника: создание бортовых и наземных средств дистанционного обнаружения пусков ракет класса «земля-воздух»; создание сенсоров для обнаружения источников УФ-излучения, сопровождающего коронные и частичные разряды на изоляторах силовых электрических установок.
Народное хозяйство: энергетика; железнодорожный транспорт; системы безопасности; экология.