МНОГОЗОНАЛЬНОЕ СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ЗЕМЛИ С ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ ОРБИТ Российский патент 2008 года по МПК G02B26/10 

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

Известно многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений Земли с геостационарных орбит в спектральном диапазоне 0.5-13 мкм (патент RU 2271558, опубликован 25.08.2004).

Известное устройство включает два независимых информационных канала, размещенных в общем корпусе, первый из которых формирует изображения в среднем и тепловом инфракрасном диапазоне спектра, второй - в спектральном диапазоне 0.4-1.2 мкм. Информационный канал среднего и теплового инфракрасного диапазона одновременно формирует N изображений, где N целое число не менее 1, и содержит двухкоординатное сканирующее зеркало, обеспечивающее последовательное перемещение визирной оси в угловом поле α×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, выполненную по телескопической схеме Галилея, систему интерференционных фильтров, формирующих N спектральных каналов с заданными границам пропускания, N фокусирующих линзовых систем и N многоэлементных инфракрасных приемников излучения, установленных на радиационном холодильнике и ориентированных по углу α. Канал может также содержать перед фокусирующими системами дискретно вращающиеся диски с фильтрами, что позволяет увеличить число спектральных каналов устройства, а между приемной оптической системой и первым интерференционным фильтром дискретно устанавливаемый непрозрачный экран с известной температурой, который полностью перекрывает информационный поток излучения для проведения радиометрической калибровки. Второй информационный канал устройства формирует изображение в диапазоне 0.4-1.2 мкм и содержит последовательно установленные и оптически связанные 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, плоские зеркала и многоэлементный приемник излучения, перекрывающий угол α/2, при этом многоэлементные приемники излучения первой и второй оптической системы пространственно совмещены таким образом, что их чувствительные элементы лежат на одной линии и последний элемент первого приемника совпадает с первым элементом второго. Информационный канал 0.4-1.2 мкм может дополнительно содержать перед многоэлементными приемниками излучения дискретно вращающийся диск с фильтрами, что позволяет увеличить число спектральных каналов в этом диапазоне, а также для выполнения фотометрической калибровки две идентичные осветительные оптические системы, каждая из которых содержит объектив, фильтр и лампу накаливания, связанную со стабилизированным источником питания, излучение которых вводится в информационный канал через плоские зеркала, установленные на непрозрачном экране, размещаемом перед сканирующим зеркалом, когда он полностью перекрывает входной поток излучения.

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

Недостатком работы известного устройства является то, что оно не обеспечивает одновременного получения информации в различных спектральных диапазонах, что требует увеличения времени съемки и приводит к снижению качества получаемой информации, так за время съемки имеет место угловое отклонение космического аппарата.

Технический результат изобретения достигается тем, что многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений Земли с геостационарной орбиты, одновременно формирующее N+N_в изображений в оптическом и инфракрасном диапазоне спектра, где N целое число не менее 1, a N_в - целое число не менее 2, включает два независимых информационных канала и датчик контроля положения Солнца, размещенных в общем корпусе, первый информационный канал содержит последовательно установленные и оптически связанные двухкоординатное сканирующее зеркало, обеспечивающее последовательное перемещение визирной оси в угловом поле α×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, выполненную по телескопической схеме Галилея и включающую сферическое зеркало и линзовую систему, систему интерференционных фильтров, формирующих N спектральных каналов с заданными границам пропускания, N фокусирующих линзовых систем и N многоэлементных инфракрасных приемников излучения, установленных на радиационном холодильнике и ориентированных по углу α, а также 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, и хотя бы перед одной фокусирующей линзовой системой установлен дискретно вращающийся диск с N_ик фильтрами, где N_ик - целое число не менее 2, второй информационный канал содержит последовательно установленные и оптически связанные второе сканирующее зеркало, обеспечивающее последовательное перемещение визирной оси с реверсом по углу α₂, где α₂>α₁, и определяется конструктивно, и две идентичные оптические системы, развернутые на угол α/2, каждая из которых содержит линзовый объектив, два поворотных плоских зеркала и N_в многоэлементных приемников излучения, разнесенных пространственно по углу α₂, параллельных друг другу и перекрывающих угол α/2, перед каждым из которых установлен фильтр, формирующий спектральный диапазон, 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, формирующих одинаковые спектральные диапазоны, располагаются на одной прямой, а проекция последних элементов приемников первой оптической системы совмещена с проекцией первых элементов приемников второй оптической системы, информационный канал содержит также две идентичные осветительные оптические системы, первую и вторую, каждая из которых содержит поворотное плоское зеркало, объектив, фильтр и лампу накаливания, связанную со стабилизированным источником питания, при этом первая осветительная система оптически связана с первой оптической системой информационного канала 0.4-1.2 мкм, а вторая осветительная система - со второй оптической системой информационного канала через сканирующее зеркало при его развороте на угол α₃, определяемый конструктивно, датчик контроля положения Солнца содержит объектив и прямоугольный одноэлементный приемник излучения, формирующие поле зрения α₄×α₅, где α₄>α, а α₅>α₂, причем оптическая ось датчика направлена на центр поля зрения сканирующего устройства, и датчик формирует команду на отключение информационных каналов и закрытие защитных крышек или блокирования включения устройства при прохождение через его поле зрения Солнца.

Схема заявленного устройства для дистанционного получения изображений Земли с геостационарных орбит поясняется чертежом.

На чертеже представлено многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений Земли с геостационарных орбит, позволяющее одновременно выполнить съемку в N инфракрасных диапазонах спектра и 3-х спектральных диапазонах области 0.4-1.2 мкм, содержащее двухкоординатное сканирующее зеркало 1, приемную оптическую систему 2, непрозрачный экран с известной температурой 3, N последовательно установленных интерференционных фильтров 4 (1...N), диск 5 с фильтрами 6 (2...Nик), N фокусирующих линзовых систем 7 (1...N), N приемников излучения инфракрасного диапазона 8 (1...N), радиационный холодильник 9, второе сканирующее зеркало 10, объективы 11 (1) и 11 (2), поворотные плоские зеркала 12 (1), 12 (2), 13 (1) и 13 (2), фильтры 14 (1), 14 (2), 15 (1), 15 (2), 16( 1), 16 (2), многоэлементные приемники излучения 17 (1), 17 (2), чувствительные в диапазоне 0.4-1.2 мкм, поворотные плоские зеркала 18 (1)и 18 (2), объективы 19 (1) и 19 (2), фильтры 20 (1) и 20 (2), лампы накаливания 21 (1) и 21 (2), объектив солнечного датчика 22, приемник излучения 23.

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

В соответствии с представленной на чертеже схемой устройство состоит из двух оптико-механических блоков. Первый обеспечивает получение N изображений в инфракрасном диапазоне спектра, второй - Nв изображений в диапазоне 0.4-1.2 мкм. В процессе работы устройства информационный поток излучения поступает одновременно на сканирующие зеркала обоих блоков. Двухкоординатным сканирующим зеркалом блока, формирующего изображения в инфракрасном диапазоне спектра, информационный поток направляется в приемную оптическую систему, выполненную по телескопической схеме Галилея и 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 инфракрасных фотоприемников, установленных на радиационным холодильнике, а вторым сканирующим зеркалом, входящим в состав блока, формирующего изображения в диапазоне 0.4-1.2 мкм, в две идентичные оптические системы, каждая из которых включает линзовый объектив, два поворотных плоских зеркала, Nв фильтров и Nв многоэлементных приемников.

Таким образом, в устройстве сформированы два независимых оптических информационных канала, объединенных общим корпусом и обслуживаемые общими электронными блоками: питания, телеметрии, терморегулирования и т.д. Такое раздельное формирование изображений в видимом и инфракрасном диапазоне спектра позволяет использовать для решения задачи наиболее эффективные схемы построения, материалы оптических элементов, современные приемники излучения. Так, использование в инфракрасном диапазоне приемников излучения, имеющих число чувствительных элементов не менее 100, а в диапазоне 0.4-1.2 мкм - не менее 6000, позволяет получить изображение полного диска Земли за 1-2 минуты. Разделение оптических схем видимого и инфракрасных диапазонов также позволяет сохранить частичную работоспособность устройства при выходе из строя одного из сканирующих блоков.

Для увеличения числа спектральных каналов в инфракрасном диапазоне хотя бы перед одной фокусирующей линзовой системой устройства может быть введен дискретно вращающийся диск с Nик фильтрами. В этом случае, при установке хотя бы одного диска с фильтрами, число каналов в инфракрасном диапазоне, в которых может быть получена информация, будет равно N+Nик-1.

Работа устройства заключается в следующем. Если в процессе сеанса должны быть получены N изображений в заданных инфракрасных 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. В диапазоне 0.4-1.2 мкм число спектральных каналов определяется числом многоэлементных приемников и равно Nв. Изображения в этом информационном канале формируются за один цикл развертки, но сдвинуты по времени на величину 10-20 секунд. Таким образом, в заявленном устройстве, в отличие от прототипа, время формирования изображений в диапазоне 0.4-1.2 мкм уменьшено в Nв раз.

В заявленном устройстве двухкоординатное сканирующее зеркало, обеспечивает последовательное перемещение визирной оси в угловом поле αхα₁ 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 одновременно двумя многоэлементными приемниками излучениям, каждый из которых формирует полкадра изображения, а в плоскости угла α₂ - вторым сканирующим зеркалом, имеющим однокоординатный разворот с реверсом. Угол α₂>α₁ и определяется из конструктивных соображений, чтобы обеспечить съемку полного диска Земли во всех спектральных диапазонах канала. Поскольку на выходе каждого приемника формируется полкадра изображения, линзовые объективы развернуты на угол α/2, а 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, формирующих одинаковые спектральные диапазоны, располагаются на одной прямой, а проекция последних элементов приемников первой оптической системы совмещена с проекцией первых элементов приемников второй оптической системы.

Бортовая радиометрическая калибровка устройства в инфракрасном диапазоне поводится по внутреннему фону и космосу. Для обеспечения калибровки по внутреннему фону 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 экрана 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 по внутреннему фону и при визировании космоса, а также значения температуры экрана, фиксируемые его датчиком, используются для радиометрической обработке видеоинформации и ее привязки к шкале температур.

Для проведения бортовой фотометрической калибровки в диапазоне 0.4-1.2 мкм устройство содержит две идентичные осветительные системы, каждая из которых содержит поворотное плоское зеркало, объектив, фильтр и лампу накаливания, связанную со стабилизированным источником питания. Осветительные системы формируют параллельные потоки излучения постоянной интенсивности. Ввод излучения осветительных систем в информационный канал осуществляется при развороте сканирующего зеркала на угол α₃, определяемый конструктивно, когда непрозрачный экран (защитная крышка) перекрывает информативный поток излучения от Земли, причем поток излучения от первой лампы накаливания последовательно собирается на приемниках излучения первой оптической системы, а от второй лампы накаливания - на приемниках излучения второй оптической системы. Таким образом, на выходе приемников излучения последовательно формируются выходные сигналы от стабилизированных источников излучения, периодически оценивая изменение уровней которых при эксплуатации устройства, можно оценивать изменения, происходящие в оптико-электронном тракте, и корректировать результаты измерений при обработке изображений. Назначение фильтра в осветительной системе - спектральная коррекция излучения лампы накаливания. Таким образом, в заявленном устройстве, в отличие от прототипа, время формирования эталонных сигналов также уменьшено в Nв раз.

В состав устройства также включен датчик контроля положения Солнца, позволяющий исключить возможность попадания солнечного излучения в информационные каналы устройства в сеансах съемки, когда Солнце находится вблизи области поля зрения устройства. Датчик содержит объектив и прямоугольный одноэлементный приемник излучения, формирующие поле зрения α₄×α₅, где α₄>α, а α₅>α₂, например если поле зрения устройства 20°×20°, то поле зрения датчика Солнца 22°×22°, причем оптическая ось датчика направлена на центр поля зрения сканирующего устройства. При попадании Солнца в поле зрения датчика приемник излучения датчика формирует сигнал, превышающий пороговое значение, и в устройстве формируется команда на отключение информационных каналов и закрытие защитных крышек на входных окнах устройства, если при подаче команды на включение устройства Солнце уже находится в поле зрения датчика, то команда на включение устройства блокируется.

Таким образом, описанное построение многозонального сканирующего устройства для дистанционного получения изображений Земли с геостационарной орбиты позволяет уменьшить время получения изображений полного диска Земли и время проведения фотометрической калибровки в спектральном диапазоне 0.4-1.2 мкм в Nв раз, а следовательно, время работы всего устройства, увеличить частоту обновления информации, повысить качество получаемой информации, исключить возможность выхода из строя устройства при попадании в объективы прямого Солнца.

Изобретение предназначено для оперативного гидрометеорологического мониторинга посредством получения изображений полного диска Земли с геостационарных орбит. Многозональное сканирующее устройство содержит два независимых информационных канала и датчик контроля положения Солнца, размещенные в общем корпусе. Один канал предназначен для приема излучения в инфракрасном диапазоне, другой - для приема излучения в оптическом диапазоне. Причем устройство одновременно формирует не менее одного изображения в инфракрасном диапазоне и не менее двух изображений в оптическом диапазоне. При этом второй информационный канал содержит не менее двух приемников излучения. Технический результат - уменьшение времени получения изображений полного диска Земли и времени проведения фотометрической калибровки, увеличение частоты обновления информации, повышение качества получаемой информации. 1 ил.

Многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений Земли с геостационарной орбиты, формирующее изображения в оптическом и инфракрасном диапазоне спектра, включает два независимых информационных канала, первый информационный канал формирует N изображений в инфракрасном диапазоне спектра, где N - целое число не менее 1, и содержит последовательно установленные и оптически связанные двухкоординатное сканирующее зеркало, обеспечивающее последовательное перемещение визирной оси в угловом поле α×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, выполненную по телескопической схеме Галилея и включающую сферическое зеркало и линзовую систему, систему интерференционных фильтров, формирующих N спектральных каналов с заданными границам пропускания, N фокусирующих линзовых систем и N многоэлементных инфракрасных приемников излучения, установленных на радиационном холодильнике и ориентированных по углу α, a также 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, и хотя бы перед одной фокусирующей линзовой системой установлен дискретно вращающийся диск с Nик фильтрами, где Nик - целое число не менее 2, второй информационный канал формирует Nв изображений в оптическом диапазоне спектра, где Nв - целое число не менее 2, и содержит последовательно установленные и оптически связанные второе сканирующее зеркало, обеспечивающее последовательное перемещение визирной оси и две идентичные оптические системы, развернутые на угол α/2, каждая из которых содержит линзовый объектив, два поворотных плоских зеркала, фильтр, формирующий спектральный диапазон, и линейный 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 первой и второй оптических систем располагаются на одной прямой, а проекция последнего элемента первого приемника совмещена с проекцией первого элемента второго приемника, информационный канал содержит также две идентичные осветительные оптические системы, первую и вторую, каждая из которых содержит поворотное плоское зеркало, объектив, фильтр и лампу накаливания, связанную со стабилизированным источником питания, при этом первая осветительная система оптически связана с первой оптической системой информационного канала, а вторая осветительная система со второй оптической системой информационного канала, отличающееся тем, что сканирующее устройство одновременно формирует Nв изображений в оптическом диапазоне спектра, так как содержит в фокальной плоскости каждой оптической системы второго информационного канала дополнительно Nв-1 линейных многоэлементных приемников излучения, перед каждым из которых стационарно установлен фильтр, дополнительные приемники пространственно разнесены относительно имеющегося и параллельны ему, а первые чувствительные элементы всех приемников лежат на одной прямой, при этом перемещение визирной оси сканирующего зеркала второго информационного канала обеспечивается с реверсом в пределах угла α₂, где α₂>α₁ и определяется конструктивно, плоское зеркало осветительной системы жестко связано с осветительной системой, а оптическая связь между оптическими системами и осветительными системами информационного канала осуществляется при развороте сканирующего зеркала на угол α₃, определяемый конструктивно, устройство также включает датчик контроля положения Солнца, формирующий команду на отключение информационных каналов и закрытие защитных крышек или блокирования включения устройства при прохождении через его поле зрения Солнца, который содержит объектив и прямоугольный одноэлементный приемник излучения, формирующих поле зрения α₄×α₅, где α₄>α, а α₅>α₂, причем оптическая ось датчика направлена на центр поля зрения сканирующего устройства.