МНОГОЗОНАЛЬНОЕ СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ШИРОКОМ УГЛЕ ОБЗОРА Российский патент 2007 года по МПК G02B23/12 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для получения спектрозональных изображений поверхности Земли из космоса. Одно из практических применений заявляемого устройства - получение непрерывных спутниковых изображений облачного покрова и поверхности Земли для решения гидрометеорологических и природоресурсных задач.

Известна космическая система «Ресурс-01», содержащая в составе бортового информационного комплекса два идентичных многозональных оптико-механических сканирующих устройства МСУ-СК для дистанционного получения спектрозональных изображений в спектральном диапазоне 0.5-12.5 мкм, визирные оси которых параллельны (С.В.Горбук, В.Е.Гешензон «Космические системы дистанционного зондирования Земли», М., изд. А и В, 1997, стр.123). В процессе эксплуатации одно устройство является рабочим, а второе - резервным. Включение второго устройства производится в случае выхода из строя первого. Такое техническое решение приводит к увеличению массы и габаритов информационного комплекса, но позволяет увеличить его срок службы. Дублирование аппаратуры также целесообразно, если при эксплуатации информационный комплекс должен работать в непрерывном режиме.

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), содержащее сканирующие зеркало, объектив, спектроделительную систему, фокусирующую оптику, многоэлементные приемники излучения и радиационную систему охлаждения приемников излучения, формирующих изображения в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах спектра. Использование радиационной системы охлаждения для обеспечения на инфракрасных приемниках рабочей температуры 80-100К позволяет увеличить срок службы устройства, так как она является пассивной, по сравнению с устройствами, в которых охлаждение приемников осуществляется микрокриогенными системами, имеющими ограниченный срок службы и число включений.

Известны сканирующие устройства, в которых после сканирующего элемента параллельно установлены два идентичных оптических модуля, каждый из которых включает объектив и приемник излучения (М.М.Мирошников «Теоретические основы оптико-электронных приборов», Ленинград, изд. «Машиностроение», 1977, стр.90). Сканирующее устройство описанное в книге «Теоретические основы оптико-электронных приборов» выбрано в качестве ближайшего аналога изобретения. Подобный принцип построения реализован в ряде различных авиационных многозональных сканирующих устройств, например сканирующем устройстве «Агрос» (ФГУП «РНИИКП, Россия). Эти устройства содержат после сканирующего элемента (зеркало, призма) по крайней мере два информационных оптических блока, формирующих изображения в различных спектральных диапазонах спектра, визирные оси которых параллельны, и блоки бортовой калибровки со стабилизированными эталонными источниками, оптически связанные с информационными оптическими блоками через сканирующий элемент. Информационные оптические блоки включают объектив, фильтр, формирующий спектральный диапазон пропускания, и приемник излучения, одноэлементный или многоэлементный. Блоки калибровки - лампу накаливания в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра и имитаторы абсолютно черного тела в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах спектра. Использование такой схемы позволяет совместить различную элементную базу (объективы, приемники излучения) при формировании изображений в широком спектральном диапазоне спектра, конструктивно объединить нескольких оптических схем в одном корпусе и использовать для их обслуживания общие электронные блоки (питания, телеметрии и т.д.), а следовательно, существенно снизить массогабаритные характеристики устройства, по сравнению с техническим решением, при котором аналогичная задача решалась независимыми приборами, что является особенно важным для аппаратуры космического базирования.

Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение массогабаритных характеристик при одновременном повышении надежности информационного космического комплекса при его непрерывной работе.

Технический результат достигается тем, что предложено многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений в широком угле обзора, содержащее в одном корпусе две идентичные и последовательно включаемые оптико-механических системы, первую и вторую, визирные оси которых параллельны. Каждая оптико-механическая система включает плоское 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 канала, объектив и приемник излучения, одноэлементный или многоэлементный, причем хотя бы один оптический блок оптико-механической системы формирует изображение в среднем или дальнем инфракрасном диапазоне спектра.

Для охлаждения приемников среднего и дальнего инфракрасных диапазонов спектра первой и второй оптико-механической системы многозональное сканирующее устройство также содержит единую радиационную систему охлаждения.

Для радиометрической калибровки многозонального сканирующего устройства в процессе эксплуатации в устройство включено N блоков калибровки, где N - целое число не менее 1, количество которых равно числу информационных оптических блоков. Блоки калибровки оптически связаны с информационными оптическими блоками через сканирующее зеркало и поворотные зеркала. В видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра блок калибровки содержит объектив, фильтр, стабилизированный источник излучения, в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах спектра - два имитатора абсолютно черного тела, первый и второй, имеющих различную температуру, первый имитатор имеет большую температуру (предпочтительно >300 К), второй из двух имитаторов имеет минимальную температуру (предпочтительно <300 К), причем все вторые имитаторы абсолютно черного тела через тепловую трубку конструктивно связаны с радиационным экраном, ориентированным в том же направлении, что и единая система радиационного охлаждения приемников излучения. Значение температуры на каждом имитаторе абсолютно черного тела и ее стабилизация достигается с помощью регулируемого нагревательного элемента.

Схема заявленного устройства для дистанционного получения изображений в широком угле обзора поясняется на чертеже.

На чертеже представлена оптическая схема многозонального сканирующего устройства для дистанционного получения шести спектрозональных изображений в диапазоне 0.4-14 мкм, содержащего сканирующее зеркало 1(1, 2), привод сканирующего зеркала 2(1, 2), фильтр 3(1...6), поворотное зеркало 4(1...6), объектив 5(1...6), приемник излучения 6(1...6), поворотные зеркала 7(1...6) и 8(1...6), объектив 9(1...6), фильтр 10(1...6), приемник излучения 11(1...6), единую радиационную систему охлаждения 12, поворотное зеркало 13(1...6), объектив канала калибровки в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра 14(1...6), фильтр канала калибровки в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра 15(1...6), эталонный стабилизированный источник излучения в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра 16(1...6), имитатор абсолютно черного тела с температурой более 300К 17(1...6), имитатор абсолютно черного тела с температурой ниже 300К 18(1...6), тепловую трубку 19(1...2), радиационный экран 20.

Пример работы заявленного многозонального сканирующего устройства для дистанционного получения изображений в широком угле обзора.

Устройство устанавливается на платформе космического аппарата и в его корпусе размещены две идентичные оптико-механических системы, визирные оси которых параллельны.

Каждая оптико-механическая система содержит плоское сканирующее зеркало 1 с двухсторонним покрытием и N информационных оптических блоков (от 2^х до N), оптические оси которых параллельны. Информационный оптический блок включает: объектив 5 или 9, фильтр 3 или 10, приемник излучения 6, одноэлементный или многоэлементный. Блоки могут располагаться как с одной стороны сканирующего зеркала, так и с обоих, как показано на чертеже, причем оптико-механическая система должна содержать по крайне мере один оптический блок, формирующий изображение в видимом или ближнем инфракрасном диапазоне спектра, и один блок, формирующий изображение в среднем или дальнем инфракрасном диапазоне спектра. Приемники излучения 11, формирующие изображение в среднем или дальнем инфракрасных диапазонах спектра обоих оптико-механических систем механически стыкуются с единой радиационной системой охлаждения 12, ориентированной на космическое пространство, что позволяет получить в зоне приемников температуру 80-100К.

В процессе работы устройства может быть включена только одна система и на ее выходе формируются видеосигналы, позволяющие получить N изображений (от 2^х до N) в спектральном диапазоне 0.4-14 мкм.

Круговое равномерное вращение сканирующих зеркал, первой и второй оптико-механических систем, обеспечивается независимыми приводами вращения 2, причем ось вращения сканирующих зеркал совпадает с направлением движения космического аппарата. Разворот визирной оси с помощью сканирующего зеркала и движение самого космического аппарата позволяет осуществить непрерывную трассовую съемку в больших углах обзора (до 120°) и, следовательно, обеспечить полосу обзора до 3000 км. Использование двухстороннего зеркала позволяет снизить скорость вращения привода в два раза и наиболее оптимально разместить модули. Оптимальность компоновки обеспечивается также введением в устройство поворотных плоских зеркал 4, 7 и 8.

Заявленное многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений также содержит систему радиометрической калибровки, которая осуществляется непосредственно в процессе эксплуатации. Система радиометрической калибровки состоит из отдельных блоков, количество которых равно числу информационных оптических блоков. Блоки калибровки информационных каналов оптических блоков, обеспечивающих получение изображений в видимом и ближнем инфракрасных диапазонах спектра, включают: объектив 14, фильтр 15, стабилизированный источник излучения 16 (лампа накаливания, светодиод), блоки калибровки каналов в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах спектра - два имитатора абсолютно черных тела 17 и 18, одно из которых имеет температуру выше 300К, а другое ниже 300К. Все блоки калибровки через сканирующее зеркало оптически связаны с информационными оптическими блоками. Ввод излучения, формируемого блоками калибровки, осуществляется в каждой строке вне ее активной части. Заданная температура на имитаторах абсолютно черных тел, имеющих температуру выше 300К, достигается с помощью регулируемого нагревательного элемента. Охлаждение имитаторов абсолютно черных тел, имеющих температуру ниже 300К, осуществляется с помощью радиационного экрана 20, ориентированного на космос, как и единая радиационная система охлаждения приемников излучения, через тепловые трубки 19, а значение и стабилизация температуры обеспечиваются регулируемым нагревательным элементом. В устройстве используется один радиатор на обе оптико-механических системы и по одной тепловой трубке на одну оптико-механическую систему.

Таким образом, в заявленном устройстве, в отличие от прототипа, сформированы две независимые оптико-механические системы, каждая из которых содержит по N идентичных информационных оптических блоков и оптически с ними связанных N идентичных блоков калибровки, объединенных общим корпусом, единой радиационной системой охлаждения, общим радиатором охлаждения элементов блоков, обеспечивающих калибровку в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах спектра, и обслуживаемых общими электронными блоками: питания, телеметрии, терморегулирования и т.д.

Изобретение позволит снизить массогабаритные параметры многозональной сканирующей аппаратуры предназначенной для непрерывной длительной эксплуатации на космических аппаратах, а также радиометрическую точность информации, так как охлаждение приемников и имитаторов абсолютно черных тел, обеспечивающих получение информации в инфракрасном диапазоне спектра, обеспечивается единой системой охлаждения. Изобретение может быть реализовано в устройствах, обеспечивающих получение гидрометеорологической и природоресурсной информации.

Устройство содержит в одном корпусе две последовательно включаемые идентичные оптико-механических системы, визирные оси которых параллельны, радиационную систему охлаждения, блоки калибровки. Каждая оптико-механическая система включает сканирующее плоское зеркало с двухсторонним отражающим покрытием, совершающее непрерывное круговое вращение с помощью привода и информационные оптические блоки, оптические оси которых параллельны. Один из них формирует изображение в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра, а второй - в среднем и дальнем. В состав информационного оптического блока входят последовательно установленные и оптически связанные поворотные зеркала, фильтр, формирующий спектральный диапазон пропускания канала, объектив и приемник излучения, одноэлементный или многоэлементный. Охлаждение приемников среднего и дальнего инфракрасных диапазонов спектра осуществляется с помощью общей радиационной системы охлаждения. В видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра блок калибровки содержит объектив, фильтр, стабилизированный источник излучения, а в среднем и дальнем - два имитатора абсолютно черных тела, имеющих различные температуры. Значение температуры и ее стабилизация на имитаторах достигается с помощью регулируемого нагревательного элемента. Изобретение позволит снизить массогабаритные параметры многозональной сканирующей аппаратуры, предназначенной для непрерывной длительной эксплуатации на космических аппаратах. 1 ил.

Многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений в широком угле обзора, включающее первую оптико-механическую систему, содержащую 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 канала, объектив и приемник излучения, одноэлементный или многоэлементный, а также радиационную систему охлаждения приемников излучения, формирующих видеосигнал в инфракрасном диапазоне спектра, и N блоков калибровки, где N - целое число не менее 1, каждый из которых через сканирующее зеркало и поворотные зеркала оптически связан с одним из информационных оптических блоков, причем 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 тел, первый и второй, имеющих различные температуры, значение которой и стабилизация достигается с помощью регулируемого нагревательного элемента, отличающееся тем, что устройство содержит вторую оптико-механическую систему, идентичную первой, обе оптико-механические системы, визирные оси которых параллельны, размещены в одном корпусе и выполнены последовательно включаемыми, радиационная система охлаждения выполнена в виде единой радиационной системы охлаждения приемников излучения в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах первой и второй оптико-механической системы, 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.