МНОГОЗОНАЛЬНОЕ СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ЗЕМЛИ С ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ ОРБИТ Российский патент 2006 года по МПК G03B37/00 

Изобретение предназначено для оперативного гидрометеорологического мониторинга посредством получения изображений полного диска Земли с геостационарных орбит.

Известно многозональное оптико-механическое устройство Imager для дистанционного получения изображений полного диска Земли или его фрагментов с геостационарной орбиты в спектральном диапазоне 0.5-13 мкм, входящее в состав информационного комплекса космического аппарата GOES (US 6504570 В2, 07.01.2003).

Аналогично построено устройство VISSR, установленное на геостационарном спутнике GMS, обеспечивающее получение двух изображений (в видимом и ИК диапазоне).

Устройство Imager по функционально-структурной схеме наиболее близко к изобретению и выбрано в качестве прототипа.

Недостатком известного устройства является большое время получения изображения полного диска Земли, что снижает качество получаемой информации и исключает возможность ее более частого обновления.

Уменьшение времени съемки полного диска Земли может быть достигнуто при увеличении количества чувствительных элементов приемников излучения. В известном устройстве, где приемный объектив формирует изображения в широком спектральном диапазоне (0.4-14 мкм), применение приемников с большим числом элементов ограничено и приводит к усложнению оптической системы и возрастанию требований к ней.

Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение времени съемки до 1-2 минут при одновременном снижении массогабаритных характеристик, повышения фотометрической точности и надежности, возможности широкого применения прогрессивной элементной базы.

Технический результат изобретения достигается тем, что многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений Земли с геостационарной орбиты, одновременно формирующее N+1 изображение в оптическом и ИК диапазоне спектра, где N целое число не менее 1, включает два независимых информационных канала, размещенных в общем корпусе, первый независимый информационный канал для формирования изображения в ИК диапазоне спектра содержит последовательно установленные и оптически связанные двухкоординатное сканирующее зеркало, обеспечивающее последовательное перемещение визирной оси в угловом поле α х α₁ путем разворота зеркала вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, по углу α₁ возвратно-поступательно, по углу α - дискретно с последующим реверсом в исходное положение, приемную оптическую систему, систему интерференционных фильтров, формирующих N спектральных каналов с заданными границам пропускания в ИК диапазоне спектра, N фокусирующих линзовых систем и N многоэлементных ИК приемников излучения, установленных на радиационном холодильнике и ориентированных по углу α, причем приемная оптическая система выполнена по телескопической схеме Галилея и состоит из сферического зеркала и линзовой системы, второй независимый информационный канал для формирования изображения в спектральном диапазоне 0.4-1.2 мкм содержит последовательно установленные и оптически связанные второе сканирующее зеркало, обеспечивающее последовательное перемещение визирной оси с реверсом по углу α₁, и две идентичные оптические системы, развернутые на угол α/2, каждая из которых содержит линзовый объектив, два поворотных плоских зеркала и многоэлементный приемник излучения, перекрывающий угол α/2, углы наклона поворотных зеркал выбраны такими, что они обеспечивают возможность установки линейных многоэлементных приемников излучения, первой и второй оптической системы в общей плоскости, при этом проекции чувствительных элементов приемников излучения располагаются на одной прямой, а проекция последнего элемента первого приемника совмещена с проекцией первого элемента второго приемника.

Заявленное устройство - многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений Земли с геостационарной орбиты, дополнительно может содержать хотя бы перед одной фокусирующей линзовой системой дискретно вращающийся диск с Nик фильтрами ИК спектрального диапазона, где Nик - целое число не менее 2.

Заявленное устройство - многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений Земли с геостационарной орбиты, дополнительно может содержать перед многоэлементными приемниками излучения информационного канала 0.4-1.2 мкм дискретно вращающийся диск, в который установлено 2Nв фильтров спектрального диапазона 0.4-1.2 мкм, где Nв - целое число не менее 2, причем последовательность установки фильтров должна обеспечивать при вращении диска установку перед приемниками излучения одноименных фильтров.

Заявленное устройство - многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений Земли с геостационарной орбиты, дополнительно может содержать перед вторым сканирующим зеркалом непрозрачный экран, на котором жестко закреплены два плоских наклонных зеркала, первое и второе, связанный через редуктор с двигателем вращения и полностью перекрывающий поток излучения при подаче питания на двигатель, и две идентичные осветительные оптические системы, первую и вторую, каждая из которых содержит объектив, фильтр и лампу накаливания, связанную со стабилизированным источником питания, причем в положении, когда экран перекрывает входной поток излучения, первая осветительная система через первое поворотное зеркало и сканирующее зеркало оптически связана с первой оптической системой информационного канала 0.4-1.2 мкм, а вторая осветительная система через второе поворотное зеркало и сканирующее зеркало соответственно связана со второй оптической системой.

Заявленное устройство - многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений Земли с геостационарной орбиты, дополнительно может содержать между приемной оптической системой и первым интерференционным фильтром непрозрачный экран, температура которого измеряется датчиком с точностью не менее 0.1°С, а поверхность, обращенная к фильтру, имеет коэффициент излучения не менее 0.95, связанный через редуктор с двигателем вращения и полностью перекрывающий поток излучения при подаче питания на двигатель.

Схема заявленного устройства для дистанционного получения изображений Земли с геостационарных орбит поясняется фиг.1-4.

На фиг.1 представлена оптическая схема многозонального сканирующего устройства для дистанционного получения изображений Земли с геостационарных орбит.

На фиг.2 представлена оптическая схема многозонального сканирующего устройства для дистанционного получения изображений Земли с геостационарных орбит с увеличенным числом спектральных каналов в ИК диапазоне спектра.

На фиг.3 представлена оптическая схема многозонального сканирующего устройства для дистанционного получения изображений Земли с геостационарных орбит с увеличенным числом спектральных каналов в ИК диапазоне спектра, а также в диапазоне 0.4-1.2 мкм.

На фиг.4 представлена оптическая схема многозонального сканирующего устройства для дистанционного получения изображений Земли с геостационарных орбит с системой бортовой фотометрической калибровки в диапазоне 0.4-1.2 мкм и системой бортовой радиометрической по внутреннему фону устройства в ИК диапазоне.

На фиг.1 представлено многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений Земли с геостационарных орбит, содержащее двухкоординатное сканирующее зеркало 1, приемную оптическую систему 2, N последовательно установленных интерференционных фильтров 3 (1...N), N фокусирующих линзовых систем 4 (1...N), N приемников излучения ИК диапазона 5 (1...N), радиационный холодильник 6, второе сканирующее зеркало 7, объективы 8(1) и 8(2), поворотные плоские зеркала 9(1), 9(2), 10(1) и 10(2) и многоэлементные приемники излучения 11(1) и 11(2), чувствительные в диапазоне 0.4-1.2 мкм.

На фиг.2 представлено многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений Земли с геостационарных орбит с увеличенным числом спектральных каналов в ИК диапазоне спектра, содержащее диск 12 с Nик фильтрами 13 (2...Nик), где N - целое число не менее 2.

На фиг.3 представлено многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений Земли с геостационарных орбит с увеличенным числом спектральных каналов в ИК диапазоне спектра, а также в диапазоне 0.4-1.2 мкм, содержащее диск 14 с 2N_В фильтров 15 (2...N_в) спектрального диапазона 0.4-1.2 мкм, где Nв - целое число не менее 2.

На фиг.4 представлено многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений Земли с геостационарных орбит с системой бортовой фотометрической калибровки в диапазоне 0.4-1.2 мкм и системой бортовой радиометрической по внутреннему фону устройства в ИК диапазоне, содержащее непрозрачный экран 16, поворотные плоские зеркала 17(1) и 17 (2), объективы 18(1) и 18(2), фильтры 19(1) и 19 (2), лампы накаливания 20(1) и 20(2) и непрозрачный экран (21).

Пример работы заявленного устройства для дистанционного получения изображений с геостационарных орбит.

В соответствии с представленной на фиг.1 схемой, информационный поток излучения поступает одновременно на сканирующие зеркала устройства и далее двухкоординатным сканирующим зеркалом направляется в приемную оптическую систему, выполненную по телескопической схеме Галилея, состоящую из сферического зеркала и линзовой системы, на выходе которой система последовательно установленных интерференционных фильтров формирует N селективных потоков, которые фокусируются N линзовыми объективами на чувствительных площадках N многоэлементных ИК фотоприемников, установленных на радиационным холодильнике, а вторым сканирующим зеркалом в две идентичные оптические системы, каждая из которых включает линзовый объектив, два поворотных плоских зеркала и многоэлементный приемник излучения. Таким образом, в заявленном устройстве, в отличие от прототипа, сформированы два независимых оптических информационных канала, объединенные общим корпусом и обслуживаемые общими электронными блоками: питания, телеметрии, терморегулирования и т.д. Первый - обеспечивает получение N изображений в ИК диапазоне спектра, второй - одно изображение в диапазоне 0.4-1.2 мкм. Такое раздельное формирование изображений видимого и ИК спектра позволяет использовать для решения задачи наиболее эффективные схемы построения, материалы оптических элементов, современные приемники излучения. Так, в ИК диапазоне появляется возможность создать для формирования изображения более широкоугольную оптическую систему, а значит использовать приемники излучения, имеющие число чувствительных элементов не менее 100, а в диапазоне 0.4-1.2 мкм - использовать приемники с числом элементов более 6000, чем достигается технический результат - уменьшение времени формирования изображения полного диска Земли до 1-2 минут при одновременном повышении фотометрической точности за счет увеличения времени формирования каждого элемента изображения. В заявленном устройстве двухкоординатное сканирующее зеркало, так же как и в прототипе, обеспечивает последовательное перемещение визирной оси в угловом поле α х α₁ путем разворота вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, по углу α₁ возвратно-поступательно, по углу α дискретно с последующим реверсом в исходное положение. В диапазоне 0.4-1.2 мкм изображение в плоскости угла а формируется двумя многоэлементными приемниками излучения, каждый из которых формирует полкадра изображения, а в плоскости угла α₁ вторым сканирующим зеркалом, имеющим однокоординатный разворот с реверсом. Поскольку на выходе каждого приемника формируется полкадра изображения, линзовые объективы развернуты на угол α/2, а углы наклона поворотных выбраны такими, что они обеспечивают возможность установки линейных многоэлементных приемников излучения, первой и второй оптической системы в общей плоскости, при этом проекции чувствительных элементов приемников излучения располагаются на одной прямой, а проекция последнего элемента первого приемника совмещена с проекцией первого элемента второго приемника. Разделение оптических схем видимого и ИК диапазонов также позволяет сохранить частичную работоспособность устройства при выходе из строя одного из сканирующих блоков.

Для случая выполнения устройства по схеме фиг.2, когда в него, хотя бы перед одной фокусирующей линзовой системой в информационном канале ИК диапазона, дополнительно введен дискретно вращающийся диск с Nик фильтрами, число каналов в ИК диапазоне, в которых может быть получена информация, возрастает и при установке одного диска равно N+Nик. Работа устройства заключается в следующем. Если в процессе сеанса должны быть получены N изображений в заданных ИК спектральных диапазонах, то перед началом съемки посредством подачи команд на механизмы поворачивающие диски с фильтрами устанавливают перед приемниками излучения требуемые фильтры. В случае если требуется получить изображения за всеми фильтрами, то после возвращения двухкоординатного сканирующего зеркала в исходное положение производится смена фильтров и процесс сканирования повторяется и т.д.

Для случая выполнения устройства по схеме фиг.3, когда оно дополнительно содержит перед приемниками излучения информационного канала 0.4-1.2 мкм дискретно вращающийся диск, в который установлены 2Nв фильтров, причем последовательность установки фильтров в диск должна обеспечивать при его вращении установку перед приемниками излучения одноименных фильтров, число спектральных диапазонов, в которых может быть получена информация, возрастает на Nв-1. Работа устройства заключается в следующем. Перед началом съемки диск развернут в положение, когда перед обоими приемниками излучения установлены фильтры Nв(1). После получения изображения за фильтром Nв(1) второе сканирующее зеркало возвращается в исходное положение и механизм разворота диска устанавливает перед приемниками фильтры Nв(2), после чего процесс сканирования повторяется и так далее пока не будет выполнена съемка за фильтрами Nв(n).

Для случая выполнения устройства по схеме фиг.4, когда оно дополнительно содержит систему бортовой фотометрической калибровки в диапазоне 0.4-1.2 мкм: две идентичные осветительные системы, каждая из которых содержит объектив, фильтр и лампу накаливания, связанную со стабилизированным источником питания, и поворотные, плоские зеркала, жестко закрепленные на непрозрачном экране, установленном на входе оптической системы, обеспечивающей получение изображений в диапазоне 0.4-1.2 мкм, работа устройства заключается в следующем. Когда непрозрачный экран перекрывает информативный поток излучения от Земли, на лампы накаливания подается стабилизированное напряжение и объективы осветительных систем формируют параллельные потоки излучения постоянной интенсивности, которые далее через поворотные плоские зеркала на экране и сканирующее зеркало фокусируется объективами информационного канала 0.4-1.2 мкм на приемниках излучения, причем поток излучения от первой лампы накаливания собирается на первом приемнике излучения, а от второй лампы накаливания на втором приемнике излучения. Таким образом, на выходе приемников излучения формируются выходные сигналы от стабилизированных источников излучения, оценивая изменение уровней которых во времени, можно оценивать изменения, происходящие в оптико-электронном тракте, и корректировать результаты измерений при обработке изображений. В заявленном устройстве непрозрачный экран функционально может быть совмещен с защитной крышкой информационного канала диапазона 0.4-1.2 мкм. Назначение фильтра в осветительной системе - спектральная коррекция излучения лампы накаливания. Для выполнения устройства по схеме с дополнительными фильтрами перед приемниками излучения измерение выходных сигналов производится за всеми фильтрами путем последовательной их смены.

Для случая выполнения устройства, когда оно дополнительно содержит систему бортовой радиометрической калибровки в ИК диапазоне по внутреннему фону устройства, его работа заключается в следующем. Перед началом съемки между приемной оптической системой и первым интерференционным фильтром устройства вводится непрозрачный экран, поверхность которого обращенная к фильтру имеет коэффициент излучения не менее 0.95, температура поверхности измеряется с помощью датчика с точностью не менее 0.1°С и фиксируется. Поток излучения от экрана, воспринимаемый приемниками излучения, преобразуется в цифровые сигналы, которые записываются в бортовое запоминающее устройство. После окончания калибровки экран выводится из оптического тракта. В начале сеанса съемки, когда визирная ось устройства направлена в космос, сигналы от приемников излучения также записываются в бортовое запоминающее устройство. Сигналы, полученные в процессе калибровки и при визировании космоса, а также значения температуры экрана, фиксируемые его датчиком, используются для радиометрической обработки видеоинформации и ее привязки к шкале температур.

Таким образом, описанное построение многозонального сканирующего устройства для дистанционного получения изображений Земли с геостационарной орбиты позволяет использовать приемники излучения с большим числом чувствительных элементов в ИК диапазоне спектра и современные приемники ПЗС в видимом диапазоне спектра, и, следовательно, уменьшить время получения изображений полного диска Земли, увеличить частоту обновления информации, повысить фотометрическую и радиометрическую чувствительность за счет времени накопления, а также повысить точность измерений описанными схемами бортовой калибровки, возможность сохранения частичной работоспособности при выходе из строя одного из сканирующих устройств. Предложенная в устройстве система сменных фильтров позволяет увеличить число спектральных каналов без увеличения числа приемников излучения и обеспечить возможность их выбора в зависимости от решаемой задачи.

Изобретение предназначено для оперативного гидрометеорологического мониторинга посредством получения изображений полного диска Земли с геостационарных орбит. Устройство одновременно формирует N+1 изображение в оптическом и ИК диапазоне спектра. Устройство включает два независимых информационных канала. Первый информационный канал для формирования изображения в ИК диапазоне спектра содержит двухкоординатное сканирующее зеркало, приемную оптическую систему, систему интерференционных фильтров, N фокусирующих линзовых систем и N многоэлементных ИК приемников излучения. Приемная оптическая система, выполнена по телескопической схеме Галилея и состоит из сферического зеркала и линзовой системы. Второй независимый информационный канал для формирования изображения в диапазоне 0.4-1.2 мкм содержит второе сканирующее зеркало, две идентичные оптические системы. Оптические системы содержат линзовый объектив, два поворотных плоских зеркала и многоэлементный приемник излучения. линейные многоэлементные приемники излучения, первой и второй оптической системы установлены в общей плоскости. Чувствительные элементы лежат на одной линии. Последний элемент первого приемника совпадает с первым элементом второго. Технический результат-уменьшение времени съемки до 1-2 минут, при одновременном снижении массогабаритных характеристик, повышение фотометрической точности и надежности, возможности широкого применения прогрессивной элементной базы. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений Земли с геостационарной орбиты, одновременно формирующее N+1 изображений в оптическом и ИК-диапазоне спектра, где N целое число не менее 1, включающее два независимых информационных канала, размещенных в общем корпусе, первый независимый информационный канал для формирования изображения в ИК-диапазоне спектра содержит последовательно установленные и оптически связанные двухкоординатное сканирующее зеркало, обеспечивающее последовательное перемещение визирной оси в угловом поле α х α₁ путем разворота зеркала вокруг двух взаимноперпендикулярных осей по углу α₁ возвратно-поступательно, по углу α - дискретно с последующим реверсом в исходное положение, приемную оптическую систему, систему интерференционных фильтров, формирующих N спектральных каналов с заданными границами пропускания в ИК-диапазоне спектра, N фокусирующих линзовых систем и N многоэлементных ИК-приемников излучения, установленных на радиационном холодильнике и ориентированных по углу α, причем приемная оптическая система выполнена по телескопической схеме Галилея и состоит из сферического зеркала и линзовой системы, второй независимый информационный канал для формирования изображения в спектральном диапазоне 0.4-1.2 мкм содержит последовательно установленные и оптически связанные второе сканирующее зеркало, обеспечивающее последовательное перемещение визирной оси с реверсом по углу α₁, и две идентичные оптические системы, развернутые на угол α/2, каждая из которых содержит линзовый объектив, два поворотных плоских зеркала и многоэлементный приемник излучения, перекрывающий угол α/2, углы наклона поворотных зеркал выбраны такими, что они обеспечивают возможность установки линейных многоэлементных приемников излучения первой и второй оптических систем в общей плоскости, при этом проекции чувствительных элементов приемников излучения располагаются на одной прямой, а проекция последнего элемента первого приемника совмещена с проекцией первого элемента второго приемника.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит хотя бы перед одной фокусирующей линзовой системой дискретно вращающийся диск с Nик фильтрами ИК-спектрального диапазона, где Nик - целое число не менее 2.3. Устройство по любому из п.1 или 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит перед многоэлементными приемниками излучения информационного канала 0.4-1.2 мкм дискретно вращающийся диск, в который установлено 2Nв фильтров спектрального диапазона 0.4-1.2 мкм, где Nв - целое число не менее 2, причем последовательность установки фильтров должна обеспечивать при вращении диска установку перед приемниками излучения одноименных фильтров.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит перед вторым сканирующим зеркалом непрозрачный экран, на котором жестко закреплены два плоских наклонных зеркала, первое и второе, связанный через редуктор с двигателем вращения и полностью перекрывающий поток излучения при подаче питания на двигатель, и две идентичные осветительные оптические системы, первую и вторую, каждая из которых содержит объектив, фильтр и лампу накаливания, связанную со стабилизированным источником питания, причем в положении, когда экран перекрывает входной поток излучения, первая осветительная система через первое поворотное зеркало и сканирующее зеркало оптически связана с первой оптической системой информационного канала 0.4-1.2 мкм, а вторая осветительная система через второе поворотное зеркало и сканирующее зеркало соответственно связана со второй оптической системой.5. Устройство по п.1 или 4, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит между приемной оптической системой и первым интерференционным фильтром непрозрачный экран, температура которого измеряется датчиком с точностью не менее 0.1°С, а поверхность, обращенная к фильтру, имеет коэффициент излучения не менее 0.95, связанный через редуктор с двигателем вращения и полностью перекрывающий поток излучения при подаче питания на двигатель.