МНОГОСПЕКТРАЛЬНОЕ СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2007 года по МПК G02B26/10 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для построения изображения подстилающей поверхности с борта космического аппарата одновременно в множестве зон спектра оптического излучения при решении задач исследования природных ресурсов Земли, прогнозирования и анализа стихийных бедствий, разведки лесных пожаров, месторождений полезных ископаемых, оценки экологической обстановки в районах техногенных катастроф, создания городских кадастров.

Устройства для преобразования изображения подстилающей поверхности в видеосигнал в большом количестве узких спектральных диапазонов оптического излучения известны. Они могут быть выполнены в виде вакуумной или твердотельной телевизионной камеры со сменяемыми светофильтрами [1]. Количество светофильтров определяет количество используемых спектральных каналов. Это число, как правило, не превышает 6...10 светофильтров. Получение более тонкой спектральной структуры оптического изображения достигается введением в состав устройства диспергирующей системы в виде призмы или дифракционной решетки [2]. Примером построения такой системы является многоканальная сканирующая система "Фрагмент" [3], которая обеспечивает с борта космического аппарата при разрешении 80 метров преобразование и передачу 8 спектральных каналов видимой и ближней инфракрасной области спектра оптического излучения. Общей тенденцией совершенствования таких многоспектральных систем является увеличение числа выделяемых спектральных каналов при сохранении приемлемого пространственного разрешения на местности.

Увеличение спектрального разрешения позволяет производить комплексное распознавание элементов подстилающей поверхности. В современных многоспектральных системах спектральное разрешение доведено до величин порядка 0,001 нм, а общее число спектральных каналов составляет сотни, а в ряде случаев тысячи [4]. Такие многоспектральные устройства получили название видеоспектрометров. Примером отечественного видеоспектрометра является видеоспектрометр "Опал", разработанный в лаборатории "Косспектр" и установленный на борту космического аппарата "Марс-6". Функциональная схема видеоспектрометра аналогична схеме аппаратуры, использующей матричный приемник [5]. Устройство состоит из сканирующего зеркала, оптической системы, щелевой диафрагмы, диспергирующего элемента и матричного приемника излучения.

Сканирующее зеркало может быть неподвижным, если дистанционное зондирование ведется с больших высот, когда устройство имеет невысокое разрешение и требуемую полосу захвата обеспечивает матричный фотопреобразователь. В качестве диспергирующего элемента используются дифракционные решетки, обеспечивающие равномерную шкалу дискретизации по спектру, либо диспергирующие призмы, в которых ширина спектра уменьшается с длиной волны по линейному закону. Устройство [5] можно выбрать в качестве прототипа.

В известном устройстве входная щель располагается перпендикулярно направлению полета носителя, вырезая тем самым строку изображения подстилающей поверхности. Эта строка диспергирующим элементом разлагается в спектр, в результате чего получается кадр многоспектрального изображения. Полученный кадр считывается матричным фотопреобразователем. Фотопреобразователь представляет собой матрицу, состоящую из N×Q ячеек фотопреобразователей. Каждая i-ая линейка соответствует i-ому спектральному диапазону оптического излучения. Каждая линейка фотопреобразователя состоит из Q светочувствительных ячеек. Количество Q и размер светочувствительной ячейки вдоль фотопреобразователя определяют разрешение на местности и полосу захвата устройства в целом. Каждая строка кадра соответствует изображению одной и той же узкой полосы сканируемой поверхности в определенной области спектра, то есть число спектральных поддиапазонов равно числу строк фотоматрицы. В аппаратуре "Опал" видимый участок спектра был разделен на 256 спектральных зон при разрешении на местности 35...50 метров. Кадровая развертка изображения осуществляется за счет естественного движения космического аппарата.

Такого разрешения на местности вполне достаточно для решения задач исследования площадных объектов наблюдения, например, при оценке урожайности сельскохозяйственных культур, определении ледовой обстановки в зоне проводки морских караванов и др. Вместе с тем, такого разрешения не достаточно для решения целого ряда практических задач исследования точечных объектов наблюдения, например, объектов инфраструктуры городов при создании кадастров; промышленных предприятий в задаче оценки экологической обстановки и безопасности и др. Улучшение разрешения на местности приводит к резкому ухудшению отношения сигнал/шум в каждом спектральном канале из-за необходимости применения длиннофокусной оптической системы, имеющей низкую светосилу. Поэтому блок передачи информации по каналу связи "Летательный аппарат - Земля" передает видеосигнал не всех каналов, а лишь тех, в которых отношение сигнал/шум превышает минимально допустимое значение. Это приводит к потере информации о подстилающей поверхности. Следует особо отметить, что точечные объекты имеют, как правило, техногенную природу, то есть созданы руками человека, и поэтому их спектр излучения не содержит столько дополнительной информации, сколько содержит спектр природных образований (например, производственные корпуса любого завода выполнены из различных сортов бетона, имеющих примерно однотипные спектральные характеристики). Таким образом, при решении задач исследования природных ресурсов Земли для аппаратуры дистанционного зондирования требуется высокое спектральное разрешение при, возможно, некотором ухудшении пространственного разрешения; при решении задач наблюдения за техногенными объектами, наоборот, требуется высокое пространственное разрешение при, возможно, некотором ухудшении спектрального разрешения. Известные устройства для преобразования изображения подстилающей поверхности в видеосигнал имеют фиксированное пространственное и спектральное разрешение и предназначены для решения, как правило, только одной задачи: либо наблюдения за техногенными объектами, либо исследование природных ресурсов Земли.

Таким образом, недостаток известного устройства состоит в низкой эффективности одновременного решения задач исследования природных ресурсов Земли и наблюдения за техногенными объектами, то есть в низкой эффективности решения задач двойного назначения.

Цель данного предложения состоит в повышении эффективности решения задач двойного назначения, а именно в повышении эффективности решения задач исследования ресурсов Земли и наблюдения за техногенными объектами с помощью одного устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве оптическая система выполнена в виде оптической системы с переменным фокусным расстоянием, изменение которого осуществляется от привода оптической системы с переменным фокусным расстоянием. Отечественная промышленность разработала оптические системы, допускающие более чем десятикратное изменение фокусного расстояния при его максимальном значении в единицы метров, что позволяет достигать требуемое для наблюдения за техногенными объектами разрешение на местности около метра в широком спектральном диапазоне [6]. Кроме того, в устройство между диспергирующей системой и матрицей фотопреобразователей дополнительно введен трансфокатор, фокусное расстояние которого изменяется от привода трансфокатора. Трансфокатор проецирует разложенную диспергирующей системой по спектру строку изображения подстилающей поверхности на матрицу фотопреобразователей. Привод трансфокатора изменяет фокусное расстояние трансфокатора, при этом изменяется угловое поле зрения в пространстве изображений трансфокатора поперек линеек матрицы фотопреобразователей, то есть изменяется плотность потока оптического излучения, падающего на отдельный фоточувствительный элемент матрицы фотопреобразователей, одновременно в крайних положениях могут появляться неосвещенные линейки матрицы фотопреобразователей, на выходе которых будет отсутствовать полезный видеосигнал, содержащий информацию о подстилающей поверхности. Угловое поле зрения в пространстве изображений трансфокатора вдоль линеек матрицы фотопреобразователей неизменно и соответствует ширине полосы захвата оптической системы с переменным фокусным расстоянием. Видеосигнал с выхода i-ой линейки матрицы фотопреобразователей, соответствующей i-ому спектральному диапазону (, где N - число линеек матрицы фотопреобразователей и максимальное число спектральных каналов) поступает на вход i-ого ключа. Выход каждого i-ого ключа подключен к i-ому входу блока передачи информации. Управляющие входы ключей подключены к выходу блока управления. Блок управления управляет включением ключей. В результате на вход блока передачи информации могут поступать видеосигналы с одной до N-числа линеек матрицы фотопреобразователей. Блок управления управляет работой всех ключей, приводом оптической системы с переменным фокусным расстоянием, управляя тем самым разрешением на местности, и приводом трансфокатора, управляя тем самым спектральным разрешением и отношением сигнал/шум на выходе линеек матрицы фотопреобразователей. Например, при решении задач техногенного характера, по управляющему сигналу, поступающему из блока управления, увеличивается фокусное расстояние оптической системы с переменным фокусным расстоянием, увеличивается фокусное расстояние трансфокатора, что сокращает число спектральных каналов за счет уменьшения на матрице фотопреобразователей проекции разложенной по спектру строки изображения. Это обеспечивает уменьшение разрешения на местности при некотором увеличении разрешения по спектру. При решении задач исследования природных ресурсов, наоборот, фокусное расстояние оптической системы с переменным фокусным расстоянием уменьшается (увеличивается разрешение на местности), но за счет уменьшения фокусного расстояния трансфокатора увеличивается проекция разложенной по спектру строки изображения, то есть уменьшается спектральное разрешение. Таким образом, устройство способно с повышенной эффективностью решать задачи двойного назначения.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на чертеже. Устройство содержит последовательно размещенные оптическую систему с переменным фокусным расстоянием 1, входную щель 2, диспергирующую систему 3, трансфокатор 4 и матрицу фотопреобразователей 5. Матрица фотопреобразователей 5 состоит из N-числа линеек фотопреобразователей, где N - максимальное число спектральных каналов. Матрица фотопреобразователей 5 может быть выполнена в виде линейных приборов с зарядовой связью. Входная щель размещена перпендикулярно направлению полета носителя устройства. Ориентация каждой линейки матрицы фотопреобразователей 5 совпадает с ориентацией входной щели 2. Выход i-ой линейки матрицы фотопреобразователей 5 подключен ко входу i-ого ключа 6. Выход i-ого ключа 6 подключен к i-ому входу блока передачи информации 7. Выход блока управления 8 устройства соединен с приводом 9 трансфокатора 4, приводом 10 оптической системы с переменным фокусным расстоянием 1, управляющим входом блока передачи информации 7 и управляющим входом каждого ключа 6.

Оптическое изображение строки подстилающей поверхности с помощью оптической системы с переменным фокусным расстоянием 1 и входной щели 2 проецируется на диспергирующую систему 3. Спектр изображения строки подстилающей поверхности с выхода диспергирующей системы 3 проецируется с помощью трансфокатора 4 на светочувствительную поверхность матрицы фотопреобразователей 5. Ориентация входной щели 2 и линеек матрицы фотопреобразователей 5 выбраны таким образом, что на каждую линейку матрицы фотопреобразователей 5 проецируется i-ый спектральный диапазон оптического изображения строки подстилающей поверхности. Протяженность каждой линейки матрицы фотопреобразователей 5 определяет количество пространственных элементов разложения в строке изображения. Видеосигнал с выхода каждой линейки матрицы фотопреобразователей 5 через соответствующие ключи 6 поступает на входы блока передачи информации 7. Блок управления 8 управляет работой ключей 6 таким образом, что на входы блока передачи информации 7 поступают видеосигналы с выходов определенных работой блока управления 8 линеек матрицы фотопреобразователей 5. Блок передачи информации 7 передает информацию потребителям. Одновременно с управлением ключами 6 блок управления 8 управляет приводом 9 трансфокатора 4 и приводом 10 оптической системы с переменным фокусным расстоянием 1. В зависимости от решаемой задачи блок управления 8 формирует управляющий сигнал, по которому привод 10 увеличивает или уменьшает фокусное расстояние оптической системы с переменным фокусным расстоянием 1, соответственно уменьшая или увеличивая разрешение на местности, что соответствует уменьшению или увеличению чувствительности устройства в целом. Под действием того же управляющего сигнала от блока управления 8 привод 9 трансфокатора 4, угловое поле которого в пространстве предметов соответствует разложенной по спектру диспергирующей системой 3 строке изображения подстилающей поверхности, увеличивает или уменьшает фокусное расстояние трансфокатора 4, соответственно уменьшает или увеличивает угловое поле трансфокатора 4 в пространстве изображений, спроектированном на матрицу фотопреобразователей 5, увеличивая или уменьшая спектральное разрешение устройства, при этом добиваясь достаточной освещенности определенных работой блока управления 8 линеек матрицы фотопреобразователей 5. Под действием управляющего сигнала от блока управления 8 i-ый ключ 6 пропускает видеосигнал от i-ой линейки матрицы фотопреобразователей 5, если он содержит информацию о строке подстилающей поверхности в i-ом спектральном диапазоне, отвечающую задаче исследования подстилающей поверхности, в противном случае видеосигнал блокируется ключом 6. Выбор номера i-ой линейки матрицы фотопреобразователей 5, видеосигнал от которой поступает на блок передачи информации 7 через i-ый ключ 6, требуемое фокусное расстояние оптической системы с переменным фокусным расстоянием 1 и фокусное расстояние трансфокатора 4 определяются заранее по известной задаче исследования подстилающей поверхности, известному фону подстилающей поверхности района наблюдения и предполагаемым спектральным характеристикам объекта наблюдения. Эта информация либо заранее закладывается в блок управления 8, либо передается по командной радиолинии. Например, наблюдение за сельскохозяйственными культурами в черноземной зоне принципиально отличается по выбору спектральных диапазонов и требуемому разрешению на местности от задач создания городских кадастров.

Источники информации

1. A.Literman and ctr. General outlines of the POLDER experiment. SPIE PROCEEDINGS SERIES, Volume 2583, Paris, France, 1995, p 245...251.

2. Дистанционное зондирование: количественный подход. Под редакцией Ф.Свейна и Ш.Дейвис, М.: "Недра", 1983, стр.36.

3. Г.Аванесов и др. Многоканальная сканирующая система "Фрагмент". - Исследование Земли из космоса, 1981, №5, стр.40...44.

4. Ю.К.Королев, Ю.В.Баранов. Современный рынок данных дистанционного зондирования. ГИС ассоциация. Информационный бюллетень №3, вып.2, 1996, стр.66...75.

5. А.Елизаренко и др. Оптико-электронные системы в исследовании природных ресурсов, М.: "Недра", 1984, стр.201, рис.60.

6. Г.И.Лебедева, А.А.Гарбуль. "Перспективные аэрокосмические зеркальные объективы", Оптический журнал, 1994, №8, стр.57...62.

Изобретение относится к сканирующим устройствам и может быть использовано для построения изображения подстилающей поверхности с борта космического аппарата одновременно в множестве зон спектра оптического излучения. В многоспектральное сканирующее устройство, содержащее последовательно включенные блок управления, блок передачи информации и последовательно размещенные оптическую систему и матрицу фотопреобразователей, состоящую из N линеек фотопреобразователей, причем ориентация каждой линейки фотопреобразователей совпадает с ориентацией входной щели и перпендикулярна направлению полета носителя устройства, дополнительно введено N ключей, трансфокатор, привод трансфокатора, привод оптической системы с переменным фокусным расстоянием, причем выход i-ой линейки матрицы фотопреобразователей подключен одновременно к входу i-ого ключа, выход i-ого ключа соединен с i-ым входом блока передачи информации, а выход блока управления соединен с управляющим входом каждого ключа непосредственно, с входом управления фокусным расстоянием трансфокатора через привод трансфокатора и с входом управления фокусным расстоянием оптической системы с переменным фокусным расстоянием через привод оптической системы с переменным фокусным расстоянием . Технический результат - повышение эффективности решения задач двойного назначения, а именно исследования ресурсов Земли и наблюдения за техногенными объектами с помощью одного устройства. 1 ил.

Многоспектральное сканирующее устройство, содержащее последовательно включенные блок управления, блок передачи информации и последовательно размещенные оптическую систему и матрицу фотопреобразователей, состоящую из N линеек фотопреобразователей, причем ориентация каждой линейки фотопреобразователей совпадает с ориентацией входной щели и перпендикулярна направлению полета носителя устройства, отличающееся тем, что дополнительно введены N ключей, трансфокатор, привод трансфокатора, привод оптической системы с переменным фокусным расстоянием, а оптическая система выполнена в виде оптической системы с переменным фокусным расстоянием, причем выход i-й линейки матрицы фотопреобразователей подключен к входу i-го ключа, выход i-го ключа соединен с i-м входом блока передачи информации, а выход блока управления соединен с управляющим входом каждого ключа непосредственно, с входом управления фокусным расстоянием трансфокатора через привод трансфокатора и с входом управления фокусным расстоянием оптической системы с переменным фокусным расстоянием через привод оптической системы с переменным фокусным расстоянием .