МНОГОЗОНАЛЬНОЕ СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПОЛНОГО ДИСКА ЗЕМЛИ С ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ ОРБИТЫ Российский патент 2016 года по МПК G02B26/10 

Изобретение относится к космической технике, в частности к средствам дистанционного зондирования Земли

Уровень техники

Известно двухканальное оптико-электронное сканирующее устройство HSRS (W. Skrbek and E. Lorenz, «HSRS - An infrared sensor for hot spot detection», Proc. SPIE, 3437, pp. 167 - 176, 1998), установленное на спутнике BIRD. Устройство включает два оптико-электронных блока, каждый из которых содержит линзовый объектив и многоэлементный приемник излучения, охлаждаемый микрокриогенной системой охлаждения.

Оптические оси блоков параллельны, а приемники излучения ориентированы перпендикулярно направлению движения спутника. Первый оптический блок устройства формирует изображение в спектральном диапазоне 3.4-4.2 мкм, второй в диапазоне 8.5-9.3 мкм. Радиометрическая калибровка устройства обеспечивается введением перед каждым объективом непрозрачного экрана в начале и конце сеанса съемки. Устройство обеспечивает пространственное разрешение 370 м и полосу захвата 190 км. Недостатком устройства является малая полоса захвата, что снижает оперативность мониторинга поверхности. Так же недостатком устройства является большой интервал между сеансами радиометрической калибровки, что при наличии изменения теплового поля устройства и чувствительности отдельных элементов приемника приводит к снижению качества получаемых изображений и точности измерения температуры.

Известны оптико-механические сканирующие устройства, содержащие сканирующий элемент, объектив и многоэлементный приемник излучения (М.М. Мирошников, «Теоретические основы оптико-электронных приборов», Ленинград, изд. «Машиностроение», 1977, стр.70). В этих устройствах перемещение визирной оси осуществляется сканирующим элементом перпендикулярно движению носителя, а многоэлементный приемник излучения ориентирован вдоль направления движения носителя. Сочетание механической развертки и многоэлементного приемника в таких устройствах позволяет реализовать широкую полосу захвата до 2000 км и за счет увеличения времени накопления сигнала на чувствительных элементах приемника излучения повысить разрешающую способность аппаратуры.

Особенностью инфракрасных многоэлементных приемников является наличие значительного разброса вольтовой чувствительности отдельных элементов приемника (до 30%), а также дефектных и неработоспособных элементов, в которых величина обнаружительной способности падает в 3-10 раз. Неравномерность чувствительности элементов приводит к ухудшению качества изображения, причем прогрессирующего в процессе съемки.

Повышение качества и точности получаемой информации, повышение пространственного разрешения известного устройства в инфракрасном диапазоне спектра, увеличение частоты обновления информации, а также уменьшение времени получения изображений полного диска Земли и времени проведения фотометрической калибровки обеспечивается Многозональным сканирующим устройством для дистанционного получения изображений Земли с геостационарных орбит (RU 2319183, заявка от 23.06.2006 № 2006122428, авторы Новиков М.В., Гектин Ю.М., Акимов Н.П. , Сулиманов Н.А., Смелянский М.Б.). Устройство по функционально-структурной схеме наиболее близко к изобретению и выбрано в качестве прототипа.

Характеристика прототипа

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 Nик изображений в инфракрасном диапазоне спектра, где Nик - целое число не менее 1, и 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, выполненную по телескопической схеме Галилея и включающую сферическое зеркало и линзовую систему, систему интерференционных фильтров, формирующих Nик спектральных каналов с заданными границам пропускания, Nик фокусирующих линзовых систем и Nик многоэлементных инфракрасных приемников излучения, установленных на радиационном холодильнике и ориентированных по углу α, a также между приемной оптической системой и первым интерференционным фильтром размещен непрозрачный экран, температура которого измеряется датчиком с точностью не хуже 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, формирующий 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, 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 направление визирной оси датчика совпадает с направлением оси сканирующего устройства.

Недостатки прототипа и Технический результат изобретения

Недостатком работы известного устройства является то, что оно не обеспечивает одновременного получения информации во всех каналах в инфракрасном диапазоне спектра, что требует увеличения времени съёмки и приводит к снижению качества получаемой информации, так как за время съёмки происходит смещение облачного покрова Земли, так же в оптическом тракте присутствуют элементы, работающие на пропускание в широком диапазоне спектра излучения, что приводит к уменьшению энергии оптического потока в отдельных информационных каналах.

Технический результат изобретения заключается в одновременном получении информации в инфракрасном диапазоне спектра, а также в видимом диапазоне, что снижает время съёмки и повышает качество получаемой информации. Так же улучшается отношение сигнал/шум получаемых изображений за счёт разделения оптического пучка по полю зрения системы. Это позволяет использовать оптические элементы, работающие на пропускание, оптимизированные под конкретный спектральный диапазон.

В изобретении оптическая система имеет единую приёмную часть с последующим разделением на спектральные диапазоны, в каждом из которых помещён собственный объектив, формирующий изображение на фотоприёмнике, что позволяет снизить габариты устройства (вместо нескольких габаритных объективов на входе устройства используется только один объектив).

Раскрытие изобретения

Устройство одновременно формирует не менее двух изображений в инфракрасном диапазоне и не менее двух изображений в видимом диапазоне. Причем второй информационный канал содержит не менее четырех приемников излучения. При этом одновременно формируются Nв+N изображений в оптическом и ИК диапазоне спектра, где: N целое число не менее 2, а Nв - целое число не менее 2.

Многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений полного диска Земли с геостационарной орбиты, содержащее первый и второй информационный каналы, формирующие одновременно Nв+N изображений в видимом и ИК диапазонах спектра, где: Nв и N- целые числа не менее 2, размещенные в общем корпусе с датчиком контроля положения Солнца, причем:

первый информационный канал предназначен для одновременного формирования N изображений в ИК диапазоне спектра и содержит оптически связанные: первое 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, оптическое излучение с которого поступает в зеркальный объектив, состоящий из основного параболического и вторичного сферических зеркал, перед плоскостью изображения которого расположена зеркальная система разделения оптического потока по полю зрения системы, в плоскостях промежуточных изображений системы, формируемых зеркальным объективом и зеркальной системой разделения оптического пучка по полю, расположены Nк коллективов, служащих для сужения оптического пучка, где Nк - целое число, большее или равное 1, в дальнейшем ходе оптического пучка расположены системы разделения оптического потока по спектру излучения, состоящие из Nиф интерференционных фильтров, формирующих N спектральных каналов с заданными границам пропускания в ИК диапазоне спектра, причём каждый канал оптически соединен с соответствующей N фокусирующей линзовой системой, формирующих изображение на N многоэлементных фотоприемных устройств (МФПУ) в соответствующих ИК диапазонах, установленных на радиационном холодильнике и ориентированных по углу α, перед первым сканирующим зеркалом установлена первая защитная крышка, которая перекрывает световой поток по команде датчика Солнца либо по внешней команде, так же перед зеркальной системой разделения оптического потока по полю зрения расположен имитатор абсолютно чёрного тела (ИАЧТ) с известной стабилизированной температурой для радиометрической калибровки многоэлементных фотоприемных устройств во всех ИК диапазонах, перекрывающий оптический поток на выходе зеркального объектива перед сеансом съемки,

второй информационный канал предназначен для одновременного формирования Nв изображений в видимом спектральном диапазоне и содержит второе сканирующее зеркало, обеспечивающее последовательное перемещение визирной оси, например, с реверсом по углу α₂, где α₂ > α_1, со второго сканирующего зеркала оптическое излучение поступает в две идентичные оптические системы: первую (а) и вторую (б), развернутыми на угол α/2, первая оптическая система (а) содержит первый линзовый объектив, первую систему поворотных зеркал, расположенную в области изображений объектива, систему фильтров и фотоприемных устройств, формирующих спектральный диапазон видимого излучения, например, первого (а) фильтра, второго (а) фильтра, третьего (а) фильтра, первый (а) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне, второй (а) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне, третьий (а) приемник излучения в видимом диапазоне, а также вторую оптическую систему (б), которая содержит второй линзовый объектив, вторую систему поворотных зеркал, расположенную в области изображений объектива, систему фильтров и фотоприёмных устройств, формирующих спектральный диапазон видимого излучения, например, первого (б) фильтра, второго (б) фильтра, третьего (б) фильтра, первый (б) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне, второй (б) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне, третьий (б) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне, причем Nв многоэлементных приемников излучения в видимом диапазоне, разнесенных пространственно по углу α₂, параллельных друг другу, и перекрывают угол α/2, углы наклона первой и второй системы поворотных зеркал выбраны такими, чтобы они обеспечивали возможность установки многоэлементных приемников излучения в видимом диапазоне первой и второй оптической системы в общей плоскости, при этом проекции чувствительных элементов приемников излучения в видимом диапазоне, формирующих одинаковые спектральные диапазоны, располагаются на одной прямой, а проекция последнего элемента первого приемника (а) излучения в видимом диапазоне совмещена с проекцией первого элемента второго приемника (б) излучения в видимом диапазоне, второй информационный канал видимого диапазона содержит также два идентичных блока калибровки в видимом диапазоне, первый и второй, каждый из которых содержит поворотное плоское зеркало, объектив, фильтр и лампу накаливания, связанную со стабилизированным источником питания, при этом первый блок калибровки в видимом диапазоне оптически соединен через второе сканирующее зеркало с первой оптической системой второго информационного канала оптического диапазона, а второй блок калибровки в видимом диапазоне соединен со второй оптической системой второго информационного канала через второе сканирующее зеркало при его развороте на угол α₃, на входе второго информационного канала установлена защитная крышка, которая перекрывает световой поток по команде датчика Солнца, причем датчик Солнца содержит оптически соединенные оптический объектив и прямоугольный одноэлементный приёмник излучения, формирующих поле зрения α₄ х α₅ , где α₄ > α, а α₅ > α_2.

Описание чертежей и детализация устройства

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами (см. Фиг. 1 - Фиг. 4), где показано следующее.

Фиг. 1. Блок-схема устройства;

Фиг. 2. Оптическая схема устройства для получения изображений Земли в ИК диапазоне. Вид А;

Фиг. 3. Часть оптической схемы устройства для получения изображений Земли в ИК диапазоне. Вид В;

Фиг. 4. Оптическая схема устройства для получения изображений Земли в видимом диапазоне.

Заявляемое Многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений полного диска Земли с геостационарной орбиты на Фиг. 1 характеризуется следующими взаимосвязанными элементами:

1 - первая защитная крышка;

2 - первое сканирующее зеркало;

3 - зеркальный объектив;

4 - зеркальная система разделения оптического потока по полю зрения;

5 - имитатор абсолютно чёрного тела (ИАЧТ) для радиометрической калибровки приёмников излучения в ИК диапазоне;

6 - Nк оптических коллективов (6.1 - 6Nк)

7 - Nиф интерференционных фильтров (7.1 - 7.Nиф);

8 - N фокусирующих линзовых систем (8.1-8.N);

9 - N многоэлементных фотоприемных устройств в соответствующем ИК диапазоне (9.1 - 9.N), где N-количество формируемых системой ИК-каналов;

10 - вторая защитная крышка;

11 - второе сканирующее зеркало;

12 - линзовый объектив: первый линзовый объектив (12.а), второй линзовый объектив (12.б);

13 - узел систем поворотных зеркал: первая система поворотных зеркал (13.а), вторая система поворотных зеркал (13.б);

14 - оптические фильтры: а фильтры (первый (а) фильтр (14.1/а), второй (а) фильтр (14.2/а), третий (а) фильтр (14.3/а)); б фильтры (первый (б) фильтр (14.1/б), второй (б) фильтр (14.2/б), третий (б) фильтр (14.3/б));

15 - Nв многоэлементных приемников излучения в видимом диапазоне, в том числе: а многоэлементные приемники излучения в видимом диапазоне (первый (а) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне (15.1/а), второй (а) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне (15.2/а), третий (а) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне - 15.3/а); б многоэлементные приемники излучения в видимом диапазоне (первый (б) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне (15.1/б), второй (б) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне (15.2/б), третий (б) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне (15.3/б));

16 - блоки калибровки в видимом диапазоне: первый блок калибровки в видимом диапазоне (16.а), второй блок калибровки в видимом диапазоне (16.б);

17 - датчик Солнца.

На Фиг. 2 приведена оптическая схема устройства для получения изображений Земли в ИК диапазоне (вид А), которая характеризуется следующим образом:

2 - первое сканирующее зеркало, выполненное, например, из ситалла, облегчённое. Облегчающие отверстия так же могут использоваться для расположения в них элементов оси вращения и стоек рамки, в которой подвешивается зеркало;

3 - зеркальный объектив, содержащий параболическое зеркало (3.1) и сферическое зеркало (3.2), размещенные на оптической оси с первым сканирующим зеркалом (2). Крепление параболического зеркала и сферического зеркала осуществляется фланцами, устанавливаемыми на оправу. После центрировки объектива, параболическое зеркало блокируется во фланцах. Оправа объектива имеет прецизионный фланец, обеспечивающий необходимое крепление и требуемую точность сопряжения с другими оптическими узлами прибора;

4 - зеркальная система разделения оптического потока по полю зрения, содержащая первое поворотное зеркало (4.1), оптически соединенное с первой системой поворотных зеркал (4.2), разделяющих световой поток ИК диапазона по полю зрения системы на спектральные поддиапазоны;

5 - имитатор абсолютно черного тела (ИАЧТ) для радиометрической калибровки приемников излучения в ИК диапазоне (на фигуре не показан);

6 - коллективы: первый коллектив (6.1), второй коллектив (6.2) - плоско-выпуклые линзы, предназначенные для уменьшения габаритов системы путем сужения пучка излучения и расположенные в промежуточной плоскости изображения, формируемой объективом 3;

7 - интерференционные фильтры: первый интерференционный фильтр (7.1), второй интерференционный фильтр (7.2), третий интерференционный фильтр (7.3), четвертый интерференционный фильтр (7.4), пятый интерференционный фильтр (7.5), формируют спектральные диапазоны, например, с помощью дихроичного зеркала, представляющего собой интерференционный отрезающий фильтр, нанесенный на плоско-параллельную пластину, например, из оптического германия и установленную под углом к оптической оси системы;

8 - фокусирующая линзовая система: первая фокусирующая линзовая система (8.1), вторая фокусирующая линзовая система (8.2), третья фокусирующая линзовая система (8.3), четвертая фокусирующая линзовая система (8.4), пятая фокусирующая линзовая система (8.5), шестая фокусирующая линзовая система (8.6), седьмая фокусирующая линзовая система (8.7). Каждая фокусирующая линзовая система содержит объектив, включающий три линзы, и поворотные зеркала. Объективы снабжены средствами для тонкой фокусировочной подвижки в конкретном диапазоне и центрировки линз. Конструктивное исполнение систем идентично. Отличаются они только объективами, каждый из которых рассчитан на формирование изображения в определённом спектральном диапазоне, и оптическим покрытием линз;

9 - многоэлементное фотоприемное устройство (МФПУ): первое МФПУ (9.1), второе МФПУ (9.2), третье МФПУ (9.3), четвертое МФПУ (9.4), пятое МФПУ (9.5), шестое МФПУ (9.6), седьмое МФПУ (9.7). Каждое МФПУ представляют собой гибридную сборку матричного фоточувствительного элемента на основе фотодиодов, например, изготовленных из соединений ртуть - кадмий - теллур (КРТ), охлаждаемой до температуры ~ 78K, кремниевой интегральной схемой предварительного усиления и мультиплексирования сигналов.

На Фиг. 3 приведена часть оптической схемы устройства для получения изображений Земли в ИК диапазоне (вид В), содержащая:

4 - зеркальную систему разделения оптического потока по полю зрения, содержащую первое поворотное зеркало (4.1) и первую систему поворотных зеркал (4.2), оптически разделяющую световой поток ИК диапазона по полю зрения системы;

6 - коллективы: первый коллектив (6.1) и второй коллектив (6.2) - плоско-выпуклые линзы, предназначенные для уменьшения габаритов системы путем сужения пучка излучения;

7 - интерференционные фильтры, например, первый интерференционный фильтр (7.1), …, пятый интерференционный фильтр (7.5), которые формируют спектральные поддиапазоны в ИК области спектра, например: λ=3,5-4,0 мкм; 5,7-7 мкм; … 11,2-12,5 мкм;

8 - фокусирующая линзовая система: первая фокусирующая линзовая система (8.1), вторая фокусирующая линзовая система (8.2), третья фокусирующая линзовая система (8.3), четвертая фокусирующая линзовая система (8.4), пятая фокусирующая линзовая система (8.5), шестая фокусирующая линзовая система (8.6), седьмая фокусирующая линзовая система (8.7).

Каждая фокусирующая линзовая система содержит объектив, включающий три линзы, и поворотные зеркала. Объективы снабжены средствами для тонкой фокусировочной подвижки в конкретном диапазоне и центрировки линз;

9 - многоэлементное фотоприемное устройство (МФПУ): первое МФПУ (9.1), второе МФПУ (9.2), третье МФПУ (9.3), четвертое МФПУ (9.4), пятое МФПУ (9.5), шестое МФПУ (9.6), седьмое МФПУ (9.7). Каждое МФПУ представляют собой гибридную сборку матричного фоточувствительного элемента на основе фотодиодов, например, изготовленных из соединений ртуть - кадмий - теллур (КРТ), охлаждаемой до температуры ~ 78K, кремниевой интегральной схемой предварительного усиления и мультиплексирования сигналов.

На Фиг. 4 представлена оптическая схема устройства для получения изображений Земли в видимом диапазоне (второго информационного канала устройства), содержащая:

11 - второе сканирующее зеркало, обеспечивающее последовательное перемещение визирной оси, например, в угле α₁;

12 - линзовый объектив: первый линзовый объектив (12.а), второй линзовый объектив (12.б);

13 - узел систем поворотных зеркал: первая система поворотных зеркал (13.а), вторая система поворотных зеркал (13.б);

14 - оптические фильтры (а фильтры: первый а фильтр (14.1/а), второй а фильтр (14.2/а), третий а фильтр (14.3/а) и б фильтры: первый б фильтр (14.1/б), второй б фильтр (14.2/б), третий б фильтр (14.3/б));

15 - многоэлементные приемники излучения в видимом диапазоне (а многоэлементные приемники излучения в видимом диапазоне: первый (а) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне (15.1/а), второй (а) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне (15.2/а), третий (а) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне (15.3/а) и б многоэлементные приемники излучения в видимом диапазоне: первый (б) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне (15.1/б), второй (б) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне (15.2/б), третий (б) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне (15.3/б));

16 - блоки калибровки в видимом диапазоне: первый блок калибровки в видимом диапазоне (16.а), второй блок калибровки в видимом диапазоне (16.б). Каждый блок калибровки (16.а или 16.б) соответственно содержит находящиеся на одной оптической оси лампу накаливания (16.а.1 или 16.б.1), фильтр (16.а.2 или 16.б.2), объектив (16.а.3 или 16.б.3), поворотное зеркало (16.а.4 или 16.б.4).

Датчик Солнца формирует команду на отключение информационных каналов, закрытие первой и второй защитных крышек или блокирование включения устройства при прохождении через его поле зрения Солнца.

Ввод оптического излучения на второе сканирующее зеркало (11) от блоков калибровки в видимом диапазоне (16.1 и 16.2) осуществляется при развороте сканирующего зеркала (11) на угол α₃, определяемый конструктивно.

Осуществление изобретения

Поверхности сопряжения модулей и узлов выполняются с точностью, обеспечивающей отклонение визирной оси не хуже ±20 угл. мин.

Электронные блоки выполняются как отдельные, функционально законченные элементы конструкции. Связь между ними и другими блоками аппаратуры, а также с внешними системами осуществляется через электроприсоединительные изделия.

Все узлы, входящие в состав оптической схемы, устанавливаются на корпусе жёстко.

Облегчающие отверстия в зеркалах так же используются для расположения в них элементов оси вращения и стоек рамки, в которой подвешивается зеркало. Это упрощает и облегчает балансировку и крепление зеркал. Возвратно-поступательное движение зеркала осуществляется шаговым двигателем через прецизионный редуктор.

Створки защитных крышек в положении «закрыто» защищены от «прямого» Солнца тепловыми матами. Работа крышек осуществляется от независимых двигателей через редукторы.

Для формирования изображения в видимом диапазоне устройство содержит два объектива, оптические оси которых развернуты, например, на угол 10°. Для более компактной компоновки оптических элементов и узлов устройства и параллельности оптических осей в устройстве содержится два поворотных зеркала, оправы которых снабжены средствами для юстировочных подвижек, позволяющих проводить операцию по сведению изображений в одну линию-строку и избежать появления «разрывов» в изображении. В узлах крепления приемников излучения также обеспечена возможность тонкой фокусировки.

Крепление устройства на объектовую плиту (платформу) жесткое (без амортизаторов).

Для крепления устройства на привалочной плоскости имеется, например, 4 шпильки, две из которых обеспечивают однозначную установку устройства - калиброванные. Линия, проходящая через центр калиброванных отверстий, материализует ось ОУ устройства, а перпендикуляры к ней и к привалочной плоскости материализуют две другие оси устройства. Для точного определения осей устройства относительно осей космического аппарата (КА) на основании аппаратуры размещена куб-призма.

При установке устройства на объект, ось OZ должна быть параллельна оси OZ КА. Погрешности привязки осей устройства к строительным осям КА не должны превышать 10 угл.мин.

Устройство имеет две световые зоны. Углы обзора (сканирования) световых зон - 20⁰ +30'х20⁰ +30'. При установке устройства световые зоны должны быть свободны от элементов конструкции КА и аппаратуры, входящей в его состав.

Пример работы

В соответствии с Фиг. 1-4 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 поток излучения поступает одновременно на сканирующие зеркала обоих блоков.

Первым (двухкоординатным) сканирующим зеркалом (2) формируются изображения в инфракрасном диапазоне спектра, световой поток направляется в зеркальный объектив (3), состоящий из параболического (3.1) и сферического (3.2) зеркал.

В предфокальной области объектива (3) расположена зеркальная система разделения оптического потока по полю зрения (4). Использование Nк коллективов (6.1 - 6Nк), Nиф интерференционных фильтров (7.1 - 7.Nиф), N фокусирующих линзовых систем (8.1-8.N) и N МФПУ (9.1-9.N) позволяет проводить съемку во всех спектральных диапазонах одновременно.

Так как по сравнению с прототипом нет необходимости смены оптических фильтров для получения изображения в разных оптических диапазонах, время получения информации может быть снижено примерно в три раза.

В заявленном устройстве двухкоординатное сканирующее зеркало 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.

Вторым сканирующим зеркалом формируются Nв изображения в диапазоне 0.4-1.2 мкм в двух идентичных оптических системах, каждая из которых включает линзовый объектив, два поворотных плоских зеркала, Nв х 2 фильтров и Nв х 2 многоэлементных приемников.

Таким образом, в устройстве сформированы два независимых оптических информационных канала, объединенных общим корпусом.

Такое раздельное формирование изображений в видимом Nв и инфракрасном N диапазоне спектра позволяет использовать наиболее эффективные схемы построения, материалы оптических элементов, современные приемники излучения. Так, использование в инфракрасном диапазоне МФПУ, имеющих число чувствительных элементов не менее 200, а в диапазоне 0.4-1.2 мкм - не менее 6000, позволяет получить изображение полного диска Земли за 3-4 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 используются интерференционные фильтры. В этом случае, при установке хотя бы одного фильтра, число каналов в инфракрасном диапазоне, в которых может быть получена информация, будет равно Nиф+1.

В диапазоне 0.4-1.2 мкм число спектральных каналов определяется числом пар многоэлементных приемников излучения в видимом диапазоне и равно Nв. Изображения во всех спектральных каналах в этом информационном канале формируются за один цикл развертки, но сдвинуты по времени на величину 10-20 секунд.

В диапазоне 0.4-1.2 мкм изображение в плоскости угла α формируется одновременно 2-мя многоэлементными приемниками излучения, 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 (первый и второй) развернуты на угол α/2, а углы наклона поворотных зеркал выбраны такими, что они обеспечивают возможность установки многоэлементных приемников излучения в видимом диапазоне первой и второй оптической системы в общей плоскости, при этом проекции чувствительных элементов многоэлементных 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.

Таким образом, пара многоэлементных приемников формирует за один цикл развертки изображение полного диска Земли в одном спектральном диапазоне.

Бортовая радиометрическая калибровка устройства в инфракрасном диапазоне проводится по внутреннему источнику излучения и космосу. Для обеспечения калибровки по внутреннему источнику излучения, перед началом съемки между зеркальным объективом и зеркальной системой разделения оптического потока по полю вводится непрозрачный экран, поверхность которого, обращённая к фильтру, имеет коэффициент излучения не менее 0.95, температура поверхности экрана измеряется с помощью датчика с точностью не хуже 0.1^°С и фиксируется.

Поток излучения от экрана, воспринимаемый приёмниками излучения, преобразуется в цифровые сигналы, которые записываются в бортовое запоминающее устройство. Таким образом, формируется базовая точка для высокого («горячего») уровня сигнала.

Затем экран выводится из оптического тракта. В начале сеанса съёмки, когда визирная ось устройства направлена в космос, сигналы от приёмников излучения также записываются в бортовое запоминающее устройство. Таким образом, формируется базовая точка для низкого («холодного») уровня сигнала. Сигналы, полученные в процессе калибровки по внутреннему источнику излучения и при визировании на космос, а также значения температуры экрана, фиксируемые его датчиком, используются для радиометрической обработки 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, причем поток излучения от первой лампы накаливания последовательно попадает на приемники излучения первой оптической системы, а от второй лампы накаливания - на приемники 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.

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 α₄хα₅, где α₄>α, а α₅>α₂, например, если поле зрения устройства 20⁰х20⁰, то поле зрения датчика Солнца 22⁰х22⁰, причем направление оптической оси датчика совпадает с направлением визирной оси сканирующего устройства.

При попадании Солнца в поле зрения датчика приемника излучения подается 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, Многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений полного диска Земли с геостационарной орбиты позволяет уменьшить время получения изображений полного диска Земли, а следовательно, время работы всего устройства, увеличить частоту обновления информации, повысить качество получаемой информации за счет увеличения отношения сигнал/шум благодаря использованию оптимизированных объективов и оптических покрытий под каждый спектральный канал.

Изобретение относится к космической технике, в частности к средствам дистанционного зондирования Земли. В многозональном сканирующем устройстве для дистанционного получения изображений полного диска Земли с геостационарной орбиты сформированы два независимых оптических информационных канала, объединенных общим корпусом и обслуживаемых общими электронными блоками: питания, телеметрии, терморегулирования и т.д., c раздельным формированием изображений в видимом и в инфракрасном диапазонах спектра. В инфракрасном диапазоне используются интерференционные фильтры. Технический результат - уменьшение времени получения изображений, увеличение частоты обновления информации, увеличение отношения сигнал/шум, повышение отказоустойчивости. 4 ил., 1 пр.

Многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений полного диска Земли с геостационарной орбиты, содержащее первый и второй информационный каналы, формирующие одновременно Nв+N изображений в видимом и ИК диапазонах спектра, где: Nв и N - целые числа не менее 2, размещенные в общем корпусе, и датчик контроля положения Солнца, причем:
первый информационный канал предназначен для одновременного формирования N изображений в ИК диапазоне спектра и содержит оптически связанные: первое 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, оптическое излучение с которого поступает в зеркальный объектив, состоящий из основного параболического и вторичного сферических зеркал, перед плоскостью изображения которого расположена зеркальная система разделения оптического потока по полю зрения системы, в плоскостях промежуточных изображений системы, формируемых зеркальным объективом и зеркальной системой разделения оптического пучка по полю, расположены Nк коллективов, служащих для сужения оптического пучка, где Nк - целое число больше или равное 1, в дальнейшем ходе полученных оптических пучков расположены системы разделения оптического потока, состоящие из Nиф интерференционных фильтров, формирующих N спектральных каналов с заданными границам пропускания в ИК диапазоне спектра, причем каждый канал оптически соединен с соответствующей N фокусирующей линзовой системой, формирующих изображение на N многоэлементных фотоприемных устройств (МФПУ) в соответствующих ИК диапазонах, установленных на радиационном холодильнике и ориентированных по углу α, перед первым сканирующим зеркалом установлена первая защитная крышка, которая перекрывает световой поток по команде датчика Солнца, либо по внешней команде, также перед зеркальной системой разделения оптического потока по полю зрения расположен имитатор абсолютно черного тела (ИАЧТ) с известной стабилизированной температурой для радиометрической калибровки многоэлементных фотоприемных устройств во всех ИК диапазонах, перекрывающий оптический поток на выходе зеркального объектива перед сеансом съемки,
второй информационный канал предназначен для одновременного формирования Nв изображений в видимом спектральном диапазоне и содержит второе сканирующее зеркало, обеспечивающее последовательное перемещение визирной оси, например, с реверсом по углу α₂, где α₂ > α_1, со второго сканирующего зеркала оптическое излучение поступает в две идентичные оптические системы: первую (а) и вторую (б), развернутыми на угол α/2, первая оптическая система (а) содержит первый линзовый объектив, первую систему поворотных зеркал, расположенную в области изображений объектива, систему фильтров, формирующих спектральный диапазон видимого излучения, например, первого (а) фильтра, второго (а) фильтра, третьего (а) фильтра, первый (а) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне, второй (а) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне, третий (а) приемник излучения в видимом диапазоне, а также вторую оптическую систему (б), которая содержит второй линзовый объектив, вторую систему поворотных зеркал, расположенную в области изображений объектива, систему фильтров, формирующих спектральный диапазон видимого излучения, например, первого (б) фильтра, второго (б) фильтра, третьего (б) фильтра, первый (б) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне, второй (б) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне, третий (б) многоэлементный приемник излучения в видимом диапазоне, причем Nв многоэлементных приемников излучения в видимом диапазоне в первой и второй оптических системах разнесены пространственно по углу α₂, параллельны друг другу и перекрывают угол α/2, углы наклона первой и второй системы поворотных зеркал выбраны такими, чтобы они обеспечивали возможность установки многоэлементных приемников излучения в видимом диапазоне первой и второй оптической системы в общей плоскости, при этом проекции чувствительных элементов приемников излучения в видимом диапазоне, формирующих одинаковые спектральные диапазоны, располагаются на одной прямой, а проекция последних элементов приёмников излучения (а) в видимом диапазоне совмещена с проекцией первых элементов приемника излучения (б) в видимом диапазоне, второй информационный канал видимого диапазона содержит также два идентичных блока калибровки в видимом диапазоне, первый и второй, каждый из которых содержит поворотное плоское зеркало, объектив, фильтр и лампу накаливания, связанную со стабилизированным источником питания, при этом первый блок калибровки в видимом диапазоне оптически соединён через второе сканирующее зеркало с первой оптической системой второго информационного канала оптического диапазона, а второй блок калибровки в видимом диапазоне соединён со второй оптической системой второго информационного канала через второе сканирующее зеркало при его развороте на угол α₃, причём на входе второго информационного канала установлена защитная крышка, которая перекрывает световой поток по команде датчика Солнца, либо по внешней команде, причём датчик Солнца содержит оптически соединённые оптический объектив и прямоугольный одноэлементный приёмник излучения, формирующих поле зрения α₄ х α₅ , где: α₄ > α, а α₅ > α_2.