СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ
SCANNING DEVICE FOR REMOTE IMAGE CAPTURING

Изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для получения с космических аппаратов спектрозональных изображений поверхности Земли и облачного покрова для решения гидрометеорологических и природоресурсных задач, а так же для мониторинга тепловых аномалий естественного и техногенного характера.
Из уровня техники известно множество сканирующих устройств (см. например, патенты США на изобретения US 4097115, US 6005682, US 7285779 и патенты Российской Федерации на изобретения RU 2313111, RU 2319187, RU 2324151).
Наиболее близким к заявленному изобретению является многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений в широком угле обзора (см. патент Российской Федерации на изобретение RU 2306583, опубл. 20.09.2007).
Устройство включает две идентичные оптико-механические системы, каждая из которых содержит плоское сканирующее зеркало с двухсторонним отражающим покрытием, совершающее непрерывное круговое вращение с помощью привода, и N информационных оптических блоков, где N - целое число не менее 1, оптические оси которых параллельны, каждый из которых включает последовательно установленные и оптически связанные поворотные зеркала, фильтр, формирующий спектральный диапазон пропускания, объектив и приемник излучения, одноэлементный или многоэлементный. Устройство также включает N блоков калибровки, где N - целое число не менее 1, каждый из которых через сканирующее зеркало оптически связаннее с одним из информационных оптических блоков. Блоки калибровки для информационных оптических блоков видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра содержат объектив, фильтр, стабилизированный источник излучения, а блоки калибровки в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах спектра два имитатора абсолютно черных тела, первый и второй, имеющих различные температуры, значение и стабилизация которых достигается с помощью регулируемого нагревательного элемента. Охлаждение приемников излучения в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах первой и второй оптико-механической системы осуществляепя с помощью общей радиационной системы охлаждения, а имитаторы абсолютно черных тел обоих оптико-механических систем, формирующих минимальную по значению температуру через тепловую трубку конструктивно связаны с радиационным экраном, ориентированным в том же направлении, что и система радиационного охлаждения приемников излучения.
Недостатком известных из уровня техники технических решений, обеспечивающих съемку в инфракрасном диапазоне спектра, и в которых бортовая калибровка осуществляется с помощью имитаторов абсолютно черных тел, принудительно нагреваемых или охлаждаемых, является временное изменение выходного сигнала информационных каналов в процессе эксплуатации. Это связано:
- с изменением чувствительности оптического тракта аппаратуры как в процессе вывода космического аппарата на орбиту, так и под действием различных факторов в процессе космического полета;
- с временным изменением излучательной способности бортовых источников излучения.
0
0
Практика показывает, что изменение чувствительности аппаратуры дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в процессе эксплуатации по различным оценкам составляет от 4 до 25%, например, временной дрейф, зафиксированный в тепловых каналах радиометра AVHRR, составляет ~0.5 К/год, в то время как современные требования по стабильности радиометрических сигналов во времени требуют изменений не более 0,2 К в десятилетие, то есть при существующих методах контроля требуемая радиометрическая точность не обеспечивается и фактически на порядок и более ниже необходимой точности, что приводит к искажению получаемых данных.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение радиометрической точности аппаратуры дистанционного зондирования Земли путем дополнительного введения в аппаратуру имитаторов АЧТ на основе фазового перехода, так как температура фазового перехода вещества является постоянной величиной и не подвержена временным изменениям при условии постоянства давления окружающей среды и состава рабочего тела.
Технический результат достигается тем, что сканирующее устройство для дистанционного получения изображений включает:
как минимум одну оптико-механическую систему, каждая из которых содержит:
- плоское сканирующее зеркало с отражающим покрытием, совершающее движение по заданной программе с помощью привода;
- N информационных оптических блоков оптического диапазона спектра, где N - целое число ≥1;
при этом каждый информационный оптический блок включает последовательно установленные и оптически связанные поворотное плоское зеркало, фильтр, формирующий спектральный диапазон пропускания канала, объектив и одно- или многоэлементный приемник излучения;
- блоки радиометрической калибровки для информационных оптических блоков среднего и дальнего инфракрасных диапазонов спектра, каждый из которых содержит имитаторы абсолютно черного тела, имеющие различные температуры: менее 300 К и более 300 К, значение и стабилизация которых достигается с помощью регулируемого нагревательного элемента;
- блоки радиометрической калибровки оптически связаны с информационными оптическими блоками через плоское сканирующее зеркало и поворотные плоские зеркала, входящие в информационные оптические блоки;
- имитаторы абсолютно черного тела на основе фазового перехода чистых металлов и эвтектических сплавов для контроля имитаторов абсолютно черного тела, имеющих различные температуры: менее 300 К и более 300 К, и оптически связанные с ними через плоское сканирующее зеркало с отражающим покрытием, совершающее движение по заданной программе с помощью привода;
- как минимум один компарирующий оптический блок, оптически связанный со всеми имитаторами через плоское сканирующее зеркало с отражающим покрытием, совершающим движение по заданной программе с помощью привода, и включающий объектив и приемник излучения;
- приемники излучения информационных оптических блоков среднего и дальнего инфракрасных диапазонов спектра охлаждаются с помощью системы охлаждения.
В предпочтительном варианте, сканирующее устройство дополнительно включает блоки радиометрической калибровки для информационных оптических блоков видимого и ближнего инфракрасных диапазонов спектра, каждый из которых содержит поворотное плоское зеркало, объектив, фильтр и стабилизированный источник излучения.
Имитаторы абсолютно черного тела на основе фазового перехода чистых металлов и эвтектических сплавов применяются в наземной термометрии и радиометрии и обладают уникальной воспроизводимостью радиометрических характеристик вследствие фундаментального свойства постоянства температуры фазового перехода. В устройстве имитаторы абсолютно черного тела на основе фазового перехода используются как высокостабильные источники излучения, позволяющие оценить изменение характеристик рабочих имитаторов абсолютно черного тела (основных), имеющих различные температуры: менее 300 К и более 300 К, и скорректировать выходные данные инфракрасных информационных каналов. Включение имитаторов абсолютно черного тела на основе фазового перехода осуществляется в специальных сеансах работы с требуемой периодичностью.
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.
На фиг.1 - схема сканирующего устройства для дистанционного получения изображений в 4-х спектральных инфракрасных каналах, где:
1 - плоское сканирующее зеркало с отражающим покрытием;
2 - привод плоского сканирующего зеркала;
(1…4)
3 - поворотное зеркало для каждого информационного оптического блока;
(1…4)
4 - фильтр для каждого информационного оптического блока, формирующий спектральный диапазон пропускания канала;
(1…4)
5 - объектив для каждого информационного оптического блока;
(1…4)
6 - приемник излучения для каждого информационного оптического блока;
(1…4)
7 - система охлаждения для каждого информационного оптического блока;
8 - имитатор абсолютно черного тела с температурой более 300 К;
(1…2)
9 - имитатор абсолютно черного тела с температурой менее 300 К;
(1…2)
10 - имитатор абсолютно черного тела на основе фазового перехода чистых металлов и эвтектических сплавов;
(1…2)
11 - компарирующий оптический блок, включающий объектив и приемник излучения;
На фиг.2 - общий принцип действия сканирующего устройства для дистанционного получения изображений на примере одного канала, где:
1 - плоское сканирующее зеркало с отражающим покрытием;
3 - поворотное зеркало информационного оптического блока;
4 - фильтр информационного оптического блока, формирующий спектральный диапазон пропускания канала;
5 - объектив информационного оптического блока;
6 - одно- или многоэлементный приемник излучения информационного оптического блока;
8 - имитатор абсолютно черного тела с температурой более 300 К;
9 - имитатор абсолютно черного тела с температурой менее 300 К;
10 - имитатор абсолютно черного тела на основе фазового перехода чистых металлов и эвтектических сплавов;
11 - компарирующий оптический блок, включающий объектив и приемник излучения.
На фиг.3 представлен образец имитатора абсолютно черного тела (ИАЧТ) на фазовом переходе плавления галлия включающий: термометр сопротивления, ячейку Ga, апертурную диафрагму, теплообменник, излучающую полость и корпус.
Принцип работы заявленного сканирующего устройства для дистанционного получения изображений заключается в следующем.
В соответствии со схемой, приведенной на фигуре 1, устройство устанавливается на платформе космического аппарата и содержит плоское двустороннее сканирующее оптическое зеркало (1), совершающее круговое движение с помощью привода (2), четыре информационных оптических блока, радиометрическую систему бортовой калибровки, включающую горячий (более 300 К) имитатор абсолютно черного тела (8) и два холодных (менее 300 К) имитатора абсолютно черного тела (9), два эталонных имитатора абсолютно черного тела на основе фазового перехода (10) и компарирующий оптический блок (11). Холодные имитаторы (9) и оптические информационные блоки (3-7) расположены с двух сторон плоского двустороннего сканирующего зеркала (1).
Приемники излучения (6) каждого информационного оптического блока формируют изображение в соответствующем инфракрасном диапазоне спектра. Приемники излучения (6) информационных оптических блоков среднего и дальнего инфракрасных диапазонов спектра охлаждаются с помощью системы охлаждения (7). В процессе работы на выходе оптико-механической системы формируются видеосигналы, позволяющие получить изображения в спектральных диапазонах, например 3,5-4,1 мкм и 8,1-9,1 мкм. Вращение плоского сканирующего зеркала (1) оптико-механической системы, обеспечивается независимым приводом вращения (2) по заданной программе, причем ось вращения плоского сканирующего зеркала (1) совпадает с направлением движения космического аппарата. Разворот визирной оси с помощью плоского сканирующего зеркала (1) и движение самого космического аппарата позволяет осуществить непрерывную трассовую съемку в больших углах обзора (до 100°) и обеспечить полосу обзора вплоть до 2400 км. Использование двустороннего плоского сканирующего зеркала (1) позволяет снизить скорость вращения привода (2) в два раза и наиболее оптимально разместить все модули. Оптимальность компоновки обеспечивается также введением в информационные оптические блоки устройства поворотных плоских зеркал (3). Сканирующее устройство для дистанционного получения изображений также содержит систему радиометрической калибровки, которая осуществляется непосредственно в процессе эксплуатации. Система радиометрической калибровки состоит из блоков излучателей - имитаторов абсолютно черного тела (9) и (8), имеющих различные температуры: менее 300 К и более 300 К соответственно. Компарирующий оптический блок (11) обеспечивает сравнение температуры всех имитаторов абсолютно черного тела (8), (9) и (10). Радиометрическая калибровка информационных оптических блоков производится благодаря нагреваемому (горячему) имитатору абсолютно черного тела (8) (положение плоского сканирующего зеркала 1(1) на фиг.2) и пассивному (холодному) имитатору абсолютно черного тела (9) (положение плоского сканирующего зеркала 1 (V) на фиг.2). Компарирующий оптический блок (11) последовательно производит сравнение радиометрической температуры пассивного (холодного) имитатора абсолютно черного тела (9), имитатора абсолютно черного тела на основе фазового перехода (10), имеющего в своем составе среду, поддерживаемую в состоянии переходного агрегатного состояния, благодаря чему поддерживается температура с высокой точностью, и нагреваемого (горячего) имитатора абсолютно черного тела (8) (положения зеркала 1 (II), 1 (III), 1 (IV) соответственно на фиг.2), на основе чего производится математическая коррекция радиационных характеристик аппаратуры. Бортовые имитаторы (холодный и горячий) абсолютно черного тела (8) и (9) формируют стабильный опорный поток излучения, использование которого позволяет скорректировать свойственную приемникам излучения неравномерность чувствительности отдельных элементов и коэффициента передачи электронного тракта в аппаратуре. Бортовой имитатор абсолютно черного тела на основе фазового перехода (10) позволяет измерить изменения в процессе эксплуатации исходных свойств оптической системы и контролировать радиометрическую температуру горячего и холодного имитаторов (8) и (9) с высокой точностью.
Поток излучения от исследуемой поверхности поступает на плоское сканирующее зеркало (1) с отражающим покрытием, вращающееся с помощью двигателя вращения - привода (2), вокруг оси совпадающей с направлением движения носителя (КА). Далее плоским сканирующим зеркалом излучение направляется в информационные оптические блоки, формирующие изображение. Поворотные плоские зеркала (3) информационных оптических блоков вводятся для уменьшения габаритов устройства. Использование в устройстве двустороннего плоского сканирующего зеркала (1) с отражающим покрытием повышает эффективность сканирования и снижает скорость вращения привода (2) в два раза.
Устройство позволяет получить радиометрическую точность в диапазонах 10.5-11.5 и 11.5-12.5 мкм не более 0.1-0.2 К, а в диапазоне 3.5-4.1 мкм - 0.5 К. Для радиометрической калибровки в устройство включены блоки калибровки, каждый из которых содержит имитатор абсолютно черного тела, формирующий эталонное излучение, температура блоков которых отличается на величину не менее 30°C и стабилизируется с точностью 0.1°C. Каждый блок радиометрической калибровки через плоское сканирующее зеркало оптически связан с одно- или многоэлементным приемником излучения только одного информационного канала.
Для формирования цифрового сигнала каждый приемник излучения дополнен электрическим блоком формирования и обработки видеосигнала, который включает блок питания, аналого-цифровой преобразователь, блок синхронизации, два оперативных запоминающих устройства, блок вычисления корректирующих коэффициентов и смещений и блок коррекции сигнала.
Бортовые излучатели (ИАЧТ) на фазовых переходах материалов используются для контроля изменения свойств оптической системы и свойств холодных и горячего имитаторов.
Калибровка информационного сигнала проводится по следующей формуле:
где
i, j - номера элементов в строке и по кадру соответственно;
вых
U - откалиброванный сигнал на выходе блока обработки оптических сигналов;
i,j
U - сигнал от приемников излучения после аналогового усилителя и АЦП;
- усредненное значения сигнала, формируемого от АЧТ с температурой менее 300 К;
- усредненное значения сигнала, формируемого от АЧТ с температурой более 300 К;
гор
гор
C - число уровней квантования, соответствующее уровню сигнала от АЧТ с температурой более 300 К (устанавливается на уровне -90% от максимума сигнала, например для 10-битного квантования C≈900), значение побирается при наземной калибровке;
хол
хол
C - число уровней квантования, соответствующее уровню сигнала от АЧТ с температурой менее 300 К (устанавливается на уровне<10% от максимума сигнала, например для 10-битного квантования C≈30), значение побирается при наземной калибровке;
В процессе эксплуатации значения
и
изменяются в результате деградации элементов оптической системы и электронного тракта из-за воздействия космического излучения.
С помощью эталонного имитатора АЧТ на основе фазового перехода значения
и
уточняются в процессе эксплуатации:
где:
(Tхол)
(Tгор)
U и U - уточненные значения сигналов от АЧТ с температурой менее 300 К и АЧТ с температурой более 300 К соответственно;
ЭТ
С - число уровней квантования, соответствующее уровню сигналу от эталонного имитатора, подбирается при наземной калибровке устройства;
(Tгор)
(TЭT)
(Tхол)
U', U' и U' - исходные значения сигналов от АЧТ с температурой более 300 К, АЧТ с температурой менее 300 К и эталонного АЧТ на основе фазового перехода соответственно, формируемые компаратором (поз.11, фиг.1), значения подбираются при наземной калибровке, точность данных значений подтверждается благодаря использованию высокоточных эталонных источников излучения;
(Tгор)
(TЭT)
(Tхол)
U”, U” и U”  - значения сигналов от АЧТ с температурой более 300 К. АЧТ с температурой менее 300 К и эталонного АЧТ на основе фазового перехода соответственно, формируемые компаратором(поз.11, фиг.1) в процессе эксплуатации аппаратуры.
При описанной схеме удастся избежать искажений радиометрической информации как вследствие изменения свойств оптической системы, электронного тракта и АЧТ с температурами более 300 К и менее 300 К, так и изменений свойств компарирующей системы.
По результатам регистрации изменений климатических переменных можно судить о глобальных изменениях климата. В таблице 1 выборочно приведет-некоторые требования к долговременной стабильности, сформулированные специалистами NOAA, NIST, NPOESS-IPO и NASA. Требования, выраженные в % и К, относятся соответственно к спектральной области отраженного солнечного излучения (0.3-2.5 мкм) и инфракрасной области (3-14 мкм). Как следует из таблицы, требуемые значения лежат в пределах (0.1-1)%/десятилетие и (0.01-0.2)К/десятилетие. То есть при разработке бортовых устройств контроля стабильности в современной аппаратуре ДЗЗ нужно ориентироваться на наиболее высокие значения: 0.1 %/десятилетие и 0.01 К/десятилетие.
Таблица 1
Требования к долговременной стабильности аппаратуры ДЗЗ при мониторинге глобальных изменений климата
Параметр
Требуемая радиометрическая стабильность (за десятилетие)
Высота нижней границы облачности
0,2 К
Высота верхней границы облачности
0,2 К
Давление на верхней границе облачности
0,2 К
Температура на верхней границе облачности
0,2 К
Оптическая толщина облачности
1%
Тепловое излучение в узких спектральных зонах
0,04 К
Температурный профиль атмосферы
0,04 К
Профиль влажности атмосферы
0,03 К
Озонный профиль
0,1%
Альбедо поверхности
1%
Нормированный дифференциальный вегетационный индекс
0,8%
Температура поверхности океана
0,01 К
Многолетняя практика работы аппаратуры ДЗЗ показывает, что изменение чувствительности аппаратуры ДЗЗ по различным оценкам составляет 4-25%, например, временной дрейф зафиксированный в тепловых каналах AVHRR -0.5 К/год. Это приводит к необходимости контроля характеристик аппаратуры на протяжении всего срока активного существования, что позволяет корректировать получаемые данные.
Однако при существующих методах контроля требуемая радиометрическая точность не обеспечивается и фактически на порядок и более ниже необходимой точности, что приводит к искажению получаемых данных. Это связано:
- с изменением чувствительности оптического тракта аппаратуры как в процессе вывода космического аппарата на орбиту, так и под действием различных факторов в процессе космического полета,
-с временным изменением излучательной способности бортовых источников излучения.
Контроль же стабильности аппаратуры на заданном уровне по земным тестовым участкам дает еще большую погрешность из-за проблем столь точного учета параметров атмосферы и излучательной способности тестовых объектов.
Таким образом, ужесточение требований к получаемой информации с одной стороны и увеличение срока активной эксплуатации аппаратуры ДЗЗ (до 7-10 лет) с другой стороны требуют поиска новых решений контроля радиометрических параметров.
Данные ИАЧТ на основе фазового перехода применяются в наземной термометрии и радиометрии и обладают воспроизводимостью радиометрических характеристик, не имеющей тенденций к изменению со временем вследствие фундаментального свойства постоянства температуры фазового перехода.
Некоторые материалы, фазовый переход которых возможно использовать в качестве реперных точек калибровки, и температуры переходов представлены в таблице 2.
Таблица 2
Вещества, пригодные для использования в качестве реперных точек на основе фазового перехода плавления/затвердевания.
Материал (металл или эвтектический сплав)
Температура фазового перехода, К
Ga
302,91
Ga-Cd
302,55
Ga-Al
300,08
Ga-Zn
298,35
Ga-Sn
293,63
Ga-In
288,80
Ga-In-Sn
283,96
Примерные габариты ИАЧТ на основе фазового перехода в зависимости от диаметра излучающей поверхности представлены в таблице 3.
Таблица 3
Базовые размеры ИАЧТ на основе фазового перехода.
Диаметр излучающей поверхности, мм
Длина полости с материалом, претерпевающим фазовый переход, мм
5
40
10
80
15
120
20
155
Применение имитаторов черных тел на основе фазовых переходов в составе радиометрического оборудования для дистанционного зондирования Земли позволит качественно увеличить точность данных радиометрии и срок службы аппаратуры вследствие увеличения температурной стабильности во времени бортовых эталонных источников излучения.
Наземные испытания образца имитаторов абсолютно черного тела на фазовых переходах показали на порядок более высокую стабильность формируемого излучения, которая значительно превосходит требуемую [1].
Изобретение позволяет повысить радиометрическую точность сканирующей аппаратуры и может быть реализовано в устройствах, обеспечивающих получение гидрометеорологической и природоресурсной информации, а так же мониторинг тепловых аномалий естественного и техногенного характера.
Литература