МНОГОСПЕКТРАЛЬНАЯ СИСТЕМА ВОЗДУШНОГО БАЗИРОВАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01V8/18 

Изобретение относится к области оптико-электронных следящих устройств и предназначено для дистанционных измерений и регистрации с авиационных носителей аномалий излучения земной поверхности в полосе обзора вдоль линии движения носителя.

Известна система, описанная в "Оптическом журнале", № 4, 2003, с.11-14, принятая в качестве аналога. Система представляет собой оптико-электронный сканирующий прибор для аэросъемки в видимом и инфракрасном диапазонах, содержащий оптико-механический блок, включающий двухгранное сканирующее зеркало, электропривод, датчик скорости сканирования, зеркало параболическое, линзовый объектив ПЗС, инфракрасное фотоприемное устройство, систему охлаждения микро-Стирлинг, ПЗС-линейку, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, аппаратно-программный комплекс. Система работает в двух диапазонах видимом 0,4-0,8 мкм и в инфракрасном спектральном диапазоне чувствительности 8,0-12,5 мкм.

Недостатком данного устройства является использование одного канала в инфракрасном диапазоне, что приводит к уменьшению вероятности распознавания тепловых аномалий, а также то, что приемники излучения расположены по разные стороны от вращающейся четырехгранной сканирующей зеркальной призмы и являются двумя самостоятельными блоками. Конструкция аналога не позволяет увеличить информативность и вероятность распознавания.

Известна система, описанная в "Оптическом журнале", № 10, 2003, с.84-87, принятая в качестве прототипа. Устройство представляет собой четырехканальный сканирующий радиометр, содержащий блок сканирования, состоящий из строчного сканера, выполненного в виде двух зеркальных четырехгранных призм, четыре фотоприемных устройства, четыре объектива фотоприемных устройств, светофильтры для каждого канала, калибровочно-градуировочной узел, установленный у входного окна радиометра, усилитель сигналов, коммутатор, аналогово-цифровой преобразователь, систему регистрации и видеомонитор. Система предназначена для установки на воздушных носителях. В системе возможна установка каналов в диапазонах от 0,3 мкм до 14 мкм со сменными поддиапазонами для 3 каналов.

Недостатками данной системы является то, что четыре приемных канала выполнены в виде самостоятельных блоков и первая и вторая пары приемных каналов расположены по разные стороны от блока сканирования, все это значительно усложняет задачу совмещения полей зрения каждого из фотоприемных устройств и приводит к ухудшению разрешающей способности при одновременной работе в четырех спектральных диапазонах. Кроме этого значительная масса прибора не позволяет устанавливать его на дистанционно пилотируемых летательных аппаратах.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности, увеличение вероятности распознавания аномалий излучения земной поверхности и осуществление возможности их геопривязки с помощью GPS.

На фиг.1 изображена схема регистрации изображения, на фиг.2 - общая блок схема устройства, на фиг.3 - расположение фоточувствительных элементов.

Указанная задача решается за счет того, что в данном устройстве содержатся входное окно, оптическая система, сканирующее устройство, приемник оптического излучения, система охлаждения, электронный блок обработки изображения, блок питания и управления и навигационная система, моделью строчного сканирования является образующая конуса (круговое сканирование), при этом вращающаяся зеркальная призма ориентирована параллельно оптической оси объектива приемника, и в фотоприемном устройстве осуществлена возможность одновременного приема сигналов в нескольких спектральных диапазонах, благодаря тому, что приемник выполнен в виде многоспектральной малоформатной матрицы, и поля зрения приемников совпадают, при этом чувствительные площадки матрицы конструктивно объединены в единый блок, один из каналов которой работает в видимом диапазоне для осуществления возможности геопривязки регистрируемых аномалий излучения с помощью GPS.

Конструкция представляет собой высокочувствительную малогабаритную систему воздушного базирования, способную работать в нескольких спектральных диапазонах и содержащая сканирующее устройство 1, сканирующий блок 2, объектив 3, в фокальной плоскости которого размещено фотоприемное устройство 4, систему охлаждения 13, предусилитель 5, коммутатор 6, блок обработки сигналов 7, блок постоянного запоминающего устройства 8, ЭВМ 9, видеоконтрольное устройство 10, блок синхронизации 11, блок задержки синхроимпульсов 12, приемник GPS 14 и навигационный компьютер 15.

Предлагаемая многоспектральная малоформатная матрица может быть изготовлена в следующем варианте. Фоточувствительные элементы 19, каждый с индивидуальным охлаждаемым светофильтром 20, размещаются в заливном криостате, при этом расположение фоточувствительных элементов - квадратное, и каждый чувствительный элемент подключается к индивидуальному предусилителю 5, расположенному в том же корпусе. Светофильтры приклеиваются на охлаждаемую диафрагму 21. Входное окно фотоприемного устройства 22 - просветленный германий на области 3-5 и 8-12 мкм.

На фиг.1 указываются направление сканирования 18 и направление полета носителя 17. Обозначения:

δ - мгновенный угол поля зрения;

ϕ - угол визирования;

ψ - угол обзора на местности;

a_x - линейный размер элемента разрешения по строке;

a_y - линейный размер элемента разрешения по кадру;

L - полоса захвата на местности;

W - скорость полета носителя;

Н - высота полета носителя.

Исходя из необходимости обеспечения максимальной вероятности распознавания, целесообразно выбирать несколько спектральных каналов с рациональным положением рабочих спектральных диапазонов. Каналы выбираются в диапазонах 0,4÷1,2 мкм; 4,6÷4,9 мкм; 3÷5 мкм; 8÷12 мкм.

Канал 8÷12 мкм наиболее прозрачный канал для получения карты распределения собственной температуры подстилающей поверхности. Радиационные контрасты собственного излучения мало нагретых объектов выше в длинноволновом (8÷12 мкм) диапазоне. В средневолновом диапазоне 3÷5 мкм контраст лучистого потока (выраженный в нормированных единицах) от одного и того же объекта относительно фона земной поверхности составляет ˜15% от контраста в диапазоне 8÷12 мкм.

Канал 3÷5 мкм включает в себя полосы поглощения углеводородов и углекислого газа - является каналом для выявления естественных и искусственных помех при построении картины естественного температурного распределения на поверхности.

Одновременное применение каналов 3÷5 мкм и 8÷12 мкм необходимо при условии базирования устройства на воздушных носителях, т.к. из-за возможности изменения погодных условий (дождь, дымка, туман) использование спектрального диапазона 3-5 мкм в условиях повышенной влажности предпочтительнее, поэтому совокупное применение этих двух каналов повышает вероятность распознавания объектов на подстилающей поверхности.

Также используется канал в видимой и ближней ИК области 0,4÷1,2 мкм, который необходим для геопривязки к местности тепловых изображений, полученных с каналов 3÷5 мкм и 8÷12 мкм путем одновременной записи координат самолета, формируемых приемником GPS, и выходной информации с этих двух каналов в постоянном запоминающем устройстве, в ЭВМ происходит определение координат аномалий излучения земной поверхности, что возможно при применении в системе метода кругового сканирования, который позволяет сохранять постоянными в процессе сканирования угол встречи визирного луча и наклонную дальность от входного зрачка аппаратуры до исследуемой поверхности.

Кроме того, используется один узкоспектральный канал 4,6÷4,9 мкм (возможно применение и других каналов) прозрачный для получения карты распределения радиационной температуры подстилающей поверхности, чувствительный как к собственному излучению поверхности, так и к отраженному от нее излучению окружающей среды. Сопоставление с картой, полученной в каналах 8÷12 мкм и 3÷5 мкм, позволяет выявить объекты, имеющие различный коэффициент излучательной способности и выступающие над поверхностью.

Благодаря тому, что чувствительные площадки матрицы конструктивно объединены в единый блок, поля зрения приемников совпадают, в результате увеличивается разрешающая способность системы.

Источники информации

1. Н.И.Павлов, Г.И.Ясинский. Малогабаритный оптико-электронный сканирующий прибор для аэросъемки в видимом и инфракрасном диапазонах. - "Оптический журнал" № 4, 2003, с.11-14.

2.2. В.А.Степанов, B.C.Яцык. Четырехканальный сканирующий радиометр РФ-4М. - "Оптический журнал" №10, 2003, с.84-87.

Изобретение предназначено для дистанционных измерений. Устройство содержит входное окно, оптическую систему, сканирующее устройство, приемник оптического излучения, систему охлаждения, электронный блок обработки изображения, блок питания и управления и навигационную систему, моделью строчного сканирования является образующая конуса (круговое сканирование). В фотоприемном устройстве осуществлена возможность одновременного приема сигналов в нескольких спектральных диапазонах, приемник выполнен в виде многоспектральной малоформатной матрицы, и поля зрения приемников совпадают, при этом чувствительные площадки матрицы конструктивно объединены в единый блок, и один из каналов работает в видимом диапазоне для осуществления возможности геопривязки регистрируемых аномалий излучения с помощью GPS. Технический результат - устройство дает возможность повысить разрешающую способность и увеличить вероятность распознавания аномалий излучения земной поверхности. 3 ил.

Высокочувствительное малогабаритное устройство воздушного базирования для распознавания аномалий излучения земной поверхности, выполненное с возможностью работы в нескольких спектральных диапазонах и содержащее оптическую систему, сканирующий блок, объектив, приемник оптического излучения, систему охлаждения, электронный блок обработки изображения и навигационную систему, при этом моделью строчного сканирования является образующая конуса, отличающееся тем, что приемник излучения выполнен в виде многоспектральной малоформатной матрицы, обеспечивающей возможность одновременного приема сигналов в нескольких спектральных диапазонах, поля зрения фоточувствительных элементов матрицы совпадают, при этом чувствительные площадки матрицы конструктивно объединены в единый блок, чувствительные элементы снабжены индивидуальными охлаждаемыми светофильтрами, каждый чувствительный элемент подключен к индивидуальному предусилителю, и один из каналов матрицы предназначен для работы в видимом диапазоне для осуществления возможности геопривязки регистрируемых аномалий излучения с помощью спутниковой навигационной системы (GPS).