УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ТЕПЛОВОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА Российский патент 2000 года по МПК G02B26/10 G02B27/00 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для получения тепловых изображений поверхности Земли из космоса и авиационных носителей различного класса.

Известно устройство для дистанционного получения изображений, содержащее последовательно установленные и оптически связанные между собой сканирующее зеркало, объектив и приемник излучения, а также двигатель вращения. В устройстве ось двигателя вращения совпадает с оптической осью объектива, а сканирующее зеркало, закрепленное на оси двигателя вращения, составляет с его осью угол, не равный 45^o. Данное устройство обеспечивает круговую развертку, так как его ось визирования наклонена под углом к исследуемой поверхности (Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов, 1977, с. 99).

Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет получать изображения одновременно в нескольких спектральных диапазонах и угол наклона оси визирования не может быть изменен в процессе измерения.

Известно устройство для дистанционного получения изображений в тепловой области спектра, содержащее корпус, в котором последовательно установлены и оптически связаны между собой сканирующее зеркало, объектив, фильтр и приемник излучения, а также расположены система охлаждения и двигатель вращения, ось которого совпадает с оптической осью объектива и жестко связана со сканирующим зеркалом, установленным под углом 45^o к оси двигателя вращения, причем объектив, приемник излучения, система охлаждения и двигатель вращения жестко закреплены в корпусе, а система охлаждения соединена с приемником излучения. Устройство обеспечивает сканирование в плоскости, проходящей через местную вертикаль и перпендикулярной направлению движения носителя (Hasel P.O., J., et al. "Michigan Experimental Multispectral Mapping System: A Description of the M7 Airborne Sensor and Its Performance", Environmental Research Institute of Michigan, Ann Arbor, Mich., 1974).

Вышеуказанное устройство для дистанционного получения изображений в тепловой области спектра по функционально-структурной схеме наиболее близко к изобретению и выбрано в качестве прототипа.

Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет получать изображения исследуемой поверхности в тепловой области спектра одновременно под разными углами визирования в нескольких спектральных диапазонах.

Это приводит к тому, что ошибка при определении температуры объектов по одному изображению в тепловой области спектра достигает нескольких градусов, так как известно, что излучение земной поверхности сильно искажается атмосферой, причем влияние атмосферы носит случайный характер, поскольку определяется пространственно-временными изменениями атмосферных параметров (температуры, влажности, аэрозоля, малых газовых примесей и т.п.).

Задачей изобретения является создание устройства для дистанционного получения изображений в тепловой области спектра, позволяющего обеспечить одновременное получение тепловых изображений исследуемых объектов под разными углами визирования в N спектральных диапазонах с помощью одной оптической системы, что позволит при совместной обработке полученных изображений учесть влияние атмосферы и тем самым повысить точность дистанционного измерения температуры объектов.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном устройстве для дистанционного получения изображений в тепловой области спектра, содержащем корпус, в котором последовательно установлены и оптически связаны между собой сканирующее зеркало, объектив, фильтр и приемник излучения, а также расположены система охлаждения и двигатель вращения, ось которого совпадает с оптической осью объектива и жестко связана со сканирующим зеркалом, установленным под углом 45^o к оси двигателя вращения, причем объектив, приемник излучения, система охлаждения и двигатель вращения жестко закреплены в корпусе, а система охлаждения соединена с приемником излучения, введены первое и второе плоские зеркала, N-1 фильтров и N-1 приемников излучения, причем первое и второе плоские зеркала установлены с двух сторон сканирующего зеркала и оппозитно между собой, каждое плоское зеркало оптически независимо связано со сканирующим зеркалом, нормали к поверхностям плоских зеркал лежат в одной плоскости, проходящей через ось двигателя вращения, плоские зеркала установлены в корпусе под разными углами относительно оси двигателя вращения, каждый из N-1 приемников излучения и установленный на нем соответствующий фильтр жестко закреплены на корпусе, каждый из N-1 приемников излучения соединен с системой охлаждения, N приемников излучения расположены на линии, образованной фокальной плоскостью объектива и плоскостью, в которой лежат нормали к поверхностям плоских зеркал.

Кроме того, хотя бы одно из плоских зеркал связано с корпусом через механизм дискретного поворота, изменяющего угол наклона плоского зеркала относительно оси двигателя вращения, что обеспечивает изменение угла визирования в процессе работы устройства.

Для обеспечения одновременно с поперечным сканированием продольного (по трассе движения носителя) в корпусе установлено третье плоское зеркало, оптически связанное с сканирующим зеркалом, нормаль к поверхности которого лежит в плоскости, проходящей через ось двигателя вращения и перпендикулярной плоскости, образованной нормалями к поверхностям первого и второго плоских зеркал, и составляет с осью двигателя вращения угол 45^o.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана функционально-структурная схема устройства для дистанционного получения изображений в тепловой области спектра.

На фиг. 2, 3 показаны функционально-структурные схемы модификаций устройства для дистанционного получения изображений в тепловой области спектра.

На фиг. 4 представлена иллюстрация процесса получения изображений при поперечном сканировании.

На фиг. 5 представлена иллюстрация процесса получения изображений при одновременном поперечном и продольном сканировании.

Устройство для дистанционного получения изображений в тепловой области спектра (фиг. 1) содержит корпус 1, сканирующее зеркало 2, объектив 3, N фильтров 4(1. . .N), N приемников 5(1...N) излучения, систему 6 охлаждения, двигатель 7 вращения и плоские зеркала 8, 9.

Устройство для дистанционного получения изображений в тепловой области спектра (фиг. 2) содержит дополнительно механизм 10 дискретного поворота.

Устройство для дистанционного получения изображений в тепловой области спектра (фиг. 3) содержит дополнительно механизм 10 дискретного поворота и третье плоское зеркало 11.

На фиг. 4 обозначены: 1 - траектория и направление движения носителя, 2 - положения носителя (I-II), 3 - траектория линии сканирования устройства для угла визирования α1 в положении I-II для N-го спектрального диапазона, 4 - траектория линии сканирования устройства для угла визирования α2 в положении I-II для N-го спектрального диапазона, А - исследуемый объект.

На фиг. 5 обозначены: 1 - траектория и направление движения носителя, 2 - положения носителя (I-II), 3 - траектория линии сканирования устройства для угла визирования α1 в положении I-II для N-го спектрального диапазона, 4 - траектория линии сканирования устройства для угла визирования α2 в положении I-II для N-ого спектрального диапазона, А - исследуемый объект, 5 - траектория линии сканирования, ориентированной по направлению движения носителя.

В устройстве для дистанционного получения изображений в тепловой области спектра (фиг. 1) в корпусе 1 последовательно установлены и оптически связаны между собой сканирующее зеркало 2, объектив 3, N фильтров 4(1...N) и N приемников 5(1. . .N) излучения, а также установлены система 6 охлаждения, соединенная с приемниками 5(1...N) излучения, и двигатель 7 вращения, ось которого совпадает с оптической осью объектива 5. Сканирующее зеркало 2 жестко связано с осью двигателя 7 вращения и установлено под углом 45^o к его оси. Плоские зеркала 8, 9, первое и второе, установлены в корпусе 1 с двух сторон относительно сканирующего зеркала 2 и оппозитно между собой, причем каждое плоское зеркало 8, 9 оптически независимо связано со сканирующим зеркалом 2. Плоские зеркала 8, 9 развернуты на разные углы относительно оси двигателя 7 вращения, а нормали к их поверхностям лежат в одной плоскости, проходящей через ось двигателя 7 вращения. На каждом из N приемников 5(1...N) излучения установлен соответствующий фильтр 4(1. ..N). Приемники 5(1...N) излучения расположены на линии, образованной фокальной плоскостью объектива 3 и плоскостью, в которой лежат нормали к поверхностям плоских зеркал 8, 9. Плоские зеркала 8, 9, объектив 3, N приемников 5(1...N) излучения, система 6 охлаждения и двигатель 7 вращения жестко закреплены на корпусе 1.

В устройства для дистанционного получения изображений в тепловой области спектра (фиг. 2) плоское зеркало 8 установлено на механизме 10 дискретного поворота, жестко закрепленном на корпусе 1.

В устройстве для дистанционного получения изображений в тепловой области спектра (фиг. 3) на корпус 1 жестко установлено третье плоское зеркало 11, оптически связанное с сканирующим зеркалом 2. Нормаль к поверхности третьего плоского зеркала 11 лежит в плоскости, проходящей через ось двигателя 7 вращения и перпендикулярна плоскости, образованной нормалями к поверхностям первого и второго плоских зеркал 8, 9 и составляет с осью двигателя 7 вращения угол 45^o.

Устройство для дистанционного получения изображений в тепловой области спектра работает следующим образом.

Поток излучения, отраженный от исследуемой поверхности, поступает на плоские зеркала 8, 9 (фиг. 1).

Плоские зеркала 8, 9 перед установкой устройства на носитель (космический или авиационный) устанавливаются так, чтобы нормали к их поверхностям лежали в одной плоскости, проходящей через ось двигателя 7 вращения и направление движения носителя, а отражающие поверхности зеркал составляли с осью двигателя 7 вращения соответственно углы 45^o+α1/2 и 45^o+α2/2. В этом случае устройство обеспечивает получение изображений (фиг. 4, 5) под углами визирования α1 и α2.

Когда сканирующее зеркало 2 повернуто к плоскому зеркалу 8, на него поступает только излучение с плоского зеркала 8, которое сканирующее зеркало 2 отражает на вход объектива 3. Объектив 3 фокусирует пришедшее излучение на от 1 до N приемниках 5 излучения, на каждом из которых установлен один из N фильтров 4. N приемников 5 излучения располагаются линейно через равные интервалы в фокальной плоскости объектива 3, причем приемник 5(N/2) излучения помещается на оптической оси объектива 3, а линия, образованная N приемниками 5 излучения, ориентируется по направлению движения носителя. Для охлаждения N приемников 5 до требуемой температуры они связаны с системой 6 охлаждения. Так как перед приемниками 5 излучения установлены фильтры 4, каждый из которых формирует селективный поток излучения, а приемники 5(1... N) излучения имеют независимые выходы, то на выходе устройства формируется N независимых аналоговых информационных потоков, каждый из которых несет информацию о исследуемой поверхности в соответствующем спектральном диапазоне. Далее аналоговые сигналы преобразуются в цифровые и передаются в запоминающее устройство (на фиг. 1-3 не показано).

Число приемников 5 излучения определяет число спектральных каналов устройства.

Так как приемники 5 излучения по направлению движения носителя пространственно не совмещены, то и изображения, полученные в разных спектральных диапазонах, будут также не совмещены по кадру. Величина смещения изображения для N-го спектрального диапазона составит LxN/2 строк, где L - расстояние между чувствительными площадками двух соседних N приемников 5 излучения, d - размер чувствительной площадки.

Так как сканирующее зеркало 2 установлено на двигателе 7 вращения, то при повороте сканирующего зеркала 2 на 180^o его отражающая поверхность поворачивается к плоскому зеркалу 9. В этом случае на сканирующее зеркало 2 поступает только излучение, отраженное от плоского зеркала 9. Отраженное сканирующим зеркалом 2 излучение объективом 3 фокусируется на N приемниках 5 излучения.

Таким образом, в устройстве с помощью зеркал 8, 9 сформировано две независимых оптических ветви, развернутых на угол |α1|-|α2| общими элементами которых являются сканирующее зеркало 2, объектив 3, N фильтров 4 и N приемников 5 излучения, а на выходе каждого из N приемников 5 излучения при вращении сканирующего зеркала 2 формируется последовательность двух аналоговых сигналов: первый соответствует потоку излучения, отраженному от поверхности под углом α1, второй - под углом α2.

Так как в устройстве строчная развертка осуществляется при вращении сканирующего зеркала 2 посредством двигателя 7 вращения, а кадровая - движением носителя, то на выходе устройства формируется N информационных массивов, каждый из которых соответствует одному из N спектральных диапазонов и позволяет получить два тепловых изображения, полученных под разными углами визирования.

Следует отметить, что поскольку оба изображения регистрируются устройством одновременно, а оси визирования направлены под разными углами, то изображения сдвинуты по кадру. Пусть требуется измерить температуру объекта в точке А (фиг. 4) под углами α1 и α2 в N-м спектральном диапазоне. При подходе к положению I устройство включается. В положении I формируется n-я строка, содержащая сигналы от элементов поверхности, расположенных на линиях 3(I) и 4(I). В положении II формируется (n+k)-я строка, содержащая элементы, расположенные на линиях 3(II) и 4(II). Тогда сигнал от объекта A расположен одновременно в n-й строке первого изображения кадра и (n+k)-й строке второго изображения кадра.

Полученные изображения сначала подвергаются геометрической коррекции, так как при наклонном зондировании имеют место существенные геометрические искажения, после чего производится определение температуры объектов. Для определения температуры конкретного объекта из полученных массивов данных извлекаются 2N значений сигналов, принадлежащих данному объекту, которые совместно обрабатываются.

Угловые методы измерения температуры основаны на возможности решения прямой задачи переноса излучения в атмосфере. Излучение системы объект-атмосфера может быть представлено в виде:
I(λ,α) = I_s(λ,α)t(λ,α)+I↑a

I_s(λ,α) = I_e(λ,α)+I_r(λ,α),
где I_e(λ,α) - собственное излучение поверхности, I_r(λ,α) - отраженное излучение поверхности.

I_e(λ,α) = ε(λ,α)B_λ(T),
где ε(λ,α) - излучательная способность объекта, B_λ(T) - функция Планка. Решение этих уравнений для различных углов визирования позволяет увеличить точность измерения температуры объектов более чем в 10 раз.

Возможности устройства могут быть существенно расширены.

Так, установка плоского зеркала 8 на механизм 10 дискретного поворота (фиг. 2) позволяет в широких пределах изменять угол наклона плоского зеркала 8 относительно оси двигателя 7 вращения и тем самым изменять угол визирования α1 в процессе работы устройства. Аналогично может быть установлено и плоское зеркало 9.

Введение в оптическую схему устройства (фиг.3) перед сканирующим зеркалом 2 третьего плоского зеркала 11, оптически связанного с ним, нормаль к поверхности которого лежит в плоскости, проходящей через ось двигателя 7 вращения и перпендикулярной плоскости, образованной нормалями к поверхностям плоских зеркал 8, 9, и составляет с осью двигателя 7 вращения угол 45^o, позволяет реализовать в устройстве третью оптическую ветвь. В этом случае на выходе N приемников 5 излучения формируется последовательность трех аналоговых сигналов.

При расположении зеркала 11, как показано на фиг. 3, линия 5 сканирования (фиг. 5) третьей ветви будет ориентирована по направлению полета носителя, что позволяет измерять температуру объектов, лежащих по трассе движения носителя, для углов визирования от -40 до +40^o относительно местной вертикали с шагом, равным мгновенному полю устройства, что позволяет восстановить индикатрисы излучательной способности объектов, расположенных на трассе движения носителя. Для восстановления индикатрисы излучательной способности объекта из изображения, полученного с помощью третьего плоского зеркала 11, производится последовательная выборка из всех строк значений сигналов, соответствующих данному объекту. Полученные данные характеризуют оптико-физические параметры объекта, что позволяет также повысить точность измерения температуры.

Предлагаемое устройство для дистанционного получения изображений в тепловой области спектра позволяет получить тепловые изображения исследуемой поверхности одновременно под разными углами визирования в нескольких спектральных диапазонах, что при обработке полученных изображений позволяет обеспечить проведение коррекции влияния атмосферы и реализовать точность измерения температуры исследуемых объектов лучше 0.1К.

Актуальность решаемой задачи, а именно возможность обнаружения термических аномалий, исследование взаимодействия атмосферы и поверхности, контроль окружающей среды и т.д, а также относительно невысокая стоимость обеспечивают устройству практическое применение.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и предназначено для получения тепловых изображений поверхности Земли из космоса и авиационных носителей различного класса. Устройство содержит корпус, в котором последовательно установлены и оптически связаны между собой сканирующее зеркало, объектив, N-1 фильтров и N-1 приемников излучения, а также установлены система охлаждения, соединенная с приемниками излучения, и двигатель вращения, ось которого совпадает с оптической осью объектива. Сканирующее зеркало жестко связано с осью двигателя вращения и установлено под углом 45^o к его оси. Первое и второе плоские зеркала установлены в корпусе с двух сторон относительно сканирующего зеркала и аппозитивно между собой, причем каждое плоское зеркало оптически независимо связано со сканирующим зеркалом. На каждом из N приемников излучения установлен соответствующий фильтр. В устройстве плоское зеркало может быть установлено на механизме дискретного поворота, жестко закрепленном на корпусе, а также в устройство может быть введено третье плоское зеркало, оптически связанное со сканирующим зеркалом. Технический результат - получение тепловых изображений исследуемой поверхности одновременно под разными углами визирования в нескольких спектральных диапазонах, что при обработке полученных изображений позволяет обеспечить проведение коррекции влияния атмосферы и реализовать точность измерения температуры исследуемых объектов лучше 0,1 К. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для дистанционного получения изображений в тепловой области спектра, содержащее корпус, в котором последовательно установлены и оптически связаны между собой сканирующее зеркало, объектив, фильтр и приемник излучения, а также расположены система охлаждения и двигатель вращения, ось которого совпадает с оптической осью объектива и жестко связана со сканирующим зеркалом, установленным под углом 45^o к оси двигателя вращения, причем объектив, приемник излучения, система охлаждения и двигатель вращения жестко закреплены в корпусе, а система охлаждения соединена с приемником излучения, отличающееся тем, что в него введены первое и второе плоские зеркала, N - 1 фильтров и N - 1 приемников излучения, причем первое и второе плоские зеркала установлены с двух сторон сканирующего зеркала и оппозитно между собой, каждое плоское зеркало оптически независимо связано со сканирующим зеркалом, нормали к поверхности плоских зеркал лежат в одной плоскости, проходящей через ось двигателя вращения, плоские зеркала установлены в корпусе под разными углами относительно оси двигателя вращения, каждый из N - 1 приемников излучения и установленный на нем соответствующий фильтр жестко закреплены на корпусе, каждый из N - 1 приемников излучения соединен с системой охлаждения, N приемников излучения расположены на линии, образованной фокальной плоскостью объектива и плоскостью, в которой лежат нормали к поверхностям плоских зеркал. 2. Устройство для дистанционного получения изображений в тепловой области спектра по п. 1, отличающееся тем, что хотя бы одно из плоских зеркал связано с корпусом через механизм дискретного поворота, изменяющего угол наклона плоского зеркала относительно оси двигателя вращения. 3. Устройство для дистанционного получения изображений в тепловой области спектра по п.1 или 2, отличающееся тем, что на корпусе установлено третье плоское зеркало, оптически связанное со сканирующим зеркалом, нормаль к поверхности которого лежит в плоскости, проходящей через ось двигателя вращения и перпендикулярной плоскости, образованной нормалями к поверхностям первого и второго плоских зеркал, и составляет с осью двигателя вращения угол 45^o.