УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2025 года по МПК B64G1/22 G02B26/10 G02B7/198 

Изобретение относится к сканирующим системам и преимущественно предназначено для использования при создании бортовой аппаратуры наблюдения высокого разрешения для космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и специального назначения.

Конструктивно устройство стабилизации оптико-электронного изображения космического аппарата основывается на базе программируемого двухкоординатного привода сканирующего зеркала, описанного в статье [Медушев С.В. Перспективные варианты построения программируемого двухкоординатного привода сканирующего зеркала /С.В. Медушев, В. Е. Ремизов, В. В. Шичков // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. - 2008. - Т. 107. - С.32-37], содержащее сканирующее зеркало, карданов подвес и двигатель маховик.

Известен аналог - способ оптического сканирования сред, объектов или поверхностей (патент на изобретение, Российская Федерация, RU 2346314 С2, опубликован 28.10.2004).

Изобретение относится к устройству и способу оптического сканирования сред, объектов или поверхностей и может быть использовано в оптических системах дистанционного обнаружения или дистанционного установления местонахождения газов, в частности углеводородов, в атмосфере.

Устройство для оптического сканирования сред или объектов содержит отклоняющее зеркало для отклонения светового излучения, соединенное с приводом. Отклоняющее зеркало выполнено с возможностью вращения, причем нормаль к зеркалу наклонена к оси вращения. Отклоняющее зеркало установлено в оправе посредством подшипника и снабжено по меньшей мере одним элементом балансировочной массы таким образом, что ось вращения совпадает с главной осью инерции средства отклоняющего зеркала вместе с оправой.

Основным недостатком данного технического решения является то, что оно позволяет только изменять направление движения света в оптической системе без изменения целевых характеристик изображения.

Известен аналог - бортовая система сканирования для фотоприемника с временной задержкой и накоплением заряда, которая посредством плоского сканирующего зеркала и оптической системы обеспечивает преобразование пространства предметов во временную последовательность электронных сигналов фотоприемника с временной задержкой и накоплением зарядов. Возвратно-вращательное сканирование плоским зеркалом кинетически скомпенсировано противоположным движением маховика, что сводит к минимуму остаточные возмущения на космическую платформу [А. Ф. Вечерковский, П. Э. Егоров, А. Б. Милорадов, А. Б. Филатов. Бортовая система сканирования для фотоприемника с временной задержкой и накоплением заряда, Вестник Концерна ВКО «Алмаз-Антей», №4, 2016 г.].

Основным недостатком данного технического решения является отсутствие программного управления сканирующего зеркала в целях улучшения таких характеристик изображения, как отношение сигнал/шум и минимизация геометрических искажений.

В качестве прототипа рассматривается устройство сканирования и стабилизации оптического изображения (патент на изобретение, Российская Федерация, RU 2471211 С1, опубликован 27.12.2012).

Изобретение относится к оптическому приборостроению и, в частности к устройствам сканирования и стабилизации изображения окружающего пространства.

В патенте представлено устройство сканирования и стабилизации оптического изображения, содержащее двухосную сканирующую платформу с установленными на ней объективом, оптической призмой в карданном подвесе с приводами и датчиками угла и матричным фотоприемным устройством и предназначенное для получения качественных видеокадров как при слежении за подвижными объектами, так и при круговом сканировании окружающего пространства с постоянной угловой скоростью. Стабилизацию оптического изображения объектов при слежении и фиксацию на матрице оптического изображения окружающего пространства при сканировании и стабилизации обеспечивает оптическая призма, установленная в карданном подвесе перед матричным фотоприемником.

Основным недостатком данного технического решения является существенное влияние вращающихся подвижных частей на качество получаемого изображения, а также постоянство отрабатываемой угловой скорости.

Предлагаемое устройство стабилизации оптико-электронного изображения космического аппарата можно использовать в аппаратуре наблюдения космического аппарата при проведении съемки. Оно обеспечивает пространственно-временную стабилизацию положения поля («точки») визирования на снимаемой поверхности и, соответственно, стабилизацию изображения в фокальной плоскости объектива цифровой камеры на требуемое (по условиям наблюдения) время (экспозицию) съемки для устранения «смаза» первичного изображения и минимизации геометрических искажений.

На фиг. 1 представлен принцип работы устройства стабилизации оптико-электронного изображения космического аппарата.

Принцип работы устройства стабилизации оптико-электронного изображения космического аппарата заключается в реализации изменения направления визирной линии оптико-электронной аппаратуры 1, которое осуществляется путем вращения плоского сканирующего зеркала 2 по специальному параметрическому закону с требуемой угловой скоростью, который формируется блоком системы управления 3 и реализуется средствами механизма параллельной структуры 4, который жестко закреплен на основании 5.

Вращение плоского сканирующего зеркала 2 осуществляется вокруг оси, параллельной строчным фоточувствительным элементам фотоприемника с прибором с зарядовой связью 6, и перемещает визирную линию по поверхности Земли с угловой скоростью, связанной масштабным коэффициентом с орбитальной угловой скоростью космического аппарата и дальностью до снимаемой точки на ее широте в диапазоне углов ±α в положение 10 или 11, и одновременно вокруг оси, лежащей в плоскости зеркала, перемещая визирную линию по поверхности Земли с угловой скоростью, связанной с угловой скоростью вращения Земли в диапазоне углов ±β.

При этом исполнительное устройство к моменту времени съемки с помощью блока 3, комплекта прецизионных датчиков углового положения 7 и объективов-интерферометров 8 устанавливает сканирующее зеркало 2 в нужное угловое положение 12 по обеим осям.

Добавление в состав устройства трехкоординатного механизма параллельной структуры, позволяет изменять положение зеркала 2 вдоль главной оптической оси оптико-электронной аппаратуры 1 в диапазоне ±δ с целью проведения летной юстировки и фокусировки.

В дополнение в состав устройства может входить специальная аппаратура 9, например, фотометр и/или микроболометр. Конструктивно специальная аппаратура 9 устанавливается на фокальную плоскость оптико-электронной аппаратуры с целью измерения текущей облученности фотоприемников 6. При этом достигается автоматизированное определение необходимого отношения сигнал/шум для определения параметров режима управления сканирующим зеркалом 2.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности получения первичных снимков Земли с тем отношением сигнал/шум, которое соответствует либо заданному значению, либо той облученности, которая измеряется специальной аппаратурой (фотометр, микроболометр), с улучшенной функцией передачи модуляции «смаза» и минимальными геометрическими искажениями из-за орбитального движения космического аппарата, его вращения вокруг собственных осей, вращения и кривизны Земли.

Технический результат достигается путем компенсации «смаза» изображения вследствие вращения Земли вокруг собственной оси при использовании параметрического режима управления сканирующим зеркалом по специальной целевой программе с требуемой угловой скоростью таким образом, что с началом формирования изображения подстилающей поверхности визирный луч удерживается (стабилизируется) на одной «точке» подстилающей поверхности путем синхронного перемещения его в плоскости орбиты космического аппарата (в обратном направлении полета космического аппарата) и в плоскости широты места съемки (вслед за вращением Земли). При этом достижение технического результата невозможно без соблюдения целостности конструкции устройства, структурно изложенной далее.

При достижении указанного технического результата устройство стабилизации оптико-электронного изображения космического аппарата необходимо и достаточно состоит из следующих конструктивных элементов: плоское сканирующее зеркало; модуль управления движением; оптико-электронная аппаратура дистанционного зондирования Земли, состоящая из оптического телескопа, оснащенного фотоприемниками типа прибор с зарядовой связью для регистрации сигнала; в качестве исполнительного устройства модуля управления движением выступает либо двухкоординатный механизм параллельной структуры, позволяющий управлять вращением поворотного зеркала в двух плоскостях, либо трехкоординатный механизм параллельной структуры, позволяющий управлять вращением поворотного зеркала в двух плоскостях и изменять положение зеркала вдоль главной оптической оси оптико-электронной аппаратуры. При этом дополнительно в состав устройства входит специальная аппаратура, измеряющая облученность - фотометр и/или микроболометр.

Изобретение относится к сканирующим системам и преимущественно предназначено для использования при создании бортовой аппаратуры наблюдения высокого и сверхвысокого разрешения для космических аппаратов дистанционного зондирования Земли. Устройство стабилизации оптико-электронного изображения космического аппарата содержит плоское сканирующее зеркало, модуль управления движением, оптико-электронную аппаратуру дистанционного зондирования Земли, состоящую из оптического телескопа, оснащенного фотоприемниками типа прибор с зарядовой связью для регистрации сигнала. В качестве исполнительного устройства модуля управления движением выступает механизм параллельной структуры, позволяющий управлять положением зеркала. Достигается возможность получения первичных снимков Земли с минимальными геометрическими искажениями из-за орбитального движения космического аппарата. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство стабилизации оптико-электронного изображения космического аппарата включающее в себя плоское сканирующее зеркало, модуль управления движением, оптико-электронную аппаратуру дистанционного зондирования Земли, состоящую из оптического телескопа, оснащенного фотоприемниками типа прибор с зарядовой связью для регистрации сигнала, отличающееся тем, что в качестве исполнительного устройства модуля управления движением выступает либо двухкоординатный механизм параллельной структуры, позволяющий управлять вращением поворотного зеркала в двух плоскостях, либо трехкоординатный механизм параллельной структуры, позволяющий управлять вращением поворотного зеркала в двух плоскостях и изменять положение зеркала вдоль главной оптической оси оптико-электронной аппаратуры.

2. Устройство стабилизации оптико-электронного изображения космического аппарата по п. 1, отличающееся тем, что также в его состав входит специальная аппаратура, измеряющая облученность - фотометр и/или микроболометр.