Многоспектральный сканирующий радиометр Советский патент 1992 года по МПК G01J5/56 

Изобретение относится к технике измерения излучения и обработки видеоинформации при дистанционном зондировании Земли.

Известны спутниковые многоспектральные сканирующие устройства малого (МСУ-М) и среднего (МСУ-С) разрешения, в калибровочных каналах которых использованы корригирующие фильтры, которые приближают спектр калибровочного излучения к спектру Солнца, так как спектральная яркость у используемых ламп накаливания резко возрастает при длинах волн А 0,6 мкм, что вызывает большую разницу в сигналах от поверхности Земли и от калибровочного источника.

Известно спутниковое многоспектральное сканирующее устройство, выбранное в качестве прототипа и содержащее сканирующее зеркало с его приводом, объектив, оптико-механический коммутатор, опорный излучатель с эталонной и рабочей группами источников света, волоконно-оптический разветвитель, полосовые спектральные фильтры, фотопреобразующие звенья, содержащие приемники излучения с предуси- лителями и усилители с автокоррекцией дрейфа нуля и крутизны преобразования, выходы которых через блоки кодирования связаны с системой передачи и регистрации данных, В качестве внутреннего калибровочного источника в этом устройстве исVJ

о

00

о

о

со

пользованы осветительные лампы, размещенные в двух платах на различных расстояниях от диффузно отражающего матового экрана. Установление необходимой максимальной величины калибровочного излуче- ния соответствующего спектрального состава осуществляется путем подбора оптических спектральных фильтров, количества осветительных ламп и поддержанием стабильного режима их питания.

Однако трудность подбора корригирующих оптических фильтров необходимого спектрально/о состава, влияние на них воздействующих факторов (запыление, старение, различные виды космических излучений, температурные изменения) могут привести к рассогласованию диапазонов калибровочного и измеряемого потоков излучения, и, как следствие, к ухудшению точности радиометрических измерений К тому же изготовление оптических корригирующих фильтров необходимого спектрального состава в широком диапазоне спектра излучения природных объектов является наукоемкой и технологически сложной зада- чей.

Цель изобретения - повышение точности измерений и упрощение конструкции радиометра.

Поставленная цель достигается тем, что в многоспектральном сканирующем радиометре, содержащем оптически связанные сканирующее устройство объектив, оптический коммутатор с датчиком угла поворота, спектроделительное устройство, фотопри- емное устройство, два калибровочных излу- мэтеля, связанных с фотоприемным устройством через оптический коммутатор и спектроделительное устройство, при этом вход синхронизации оптического коммута- тора соединен со сканирующим устройством, а также усилительный блок с числом каналов, равным количеству фоточувствительных элементов фотоприемного устройства, с цепями автокоррекции дрейфа нуля и крутизны преобразования, к выходам которого подключен блок обработки и регистрации, и блок синхронизации, вход которого соединен с выходом датчика угла поворота оптического коммутатора, выход уровня черного соединен с первым управляющим входом, а выход уровня белого со вторым управляющим входом каждого канала усилительного блока, дополнительно введены в кадом канале последовательно соединенные управляемый фиксатор нуля и регулируемый импульсный корректор включенные между соответствующими выходами фотоприемного устройства и входом усилительного блока, при этом

управляющие входы управляемых фиксаторов нуля соединены с выходом уровня черного, а управляющие входы регулируемых импульсных корректоров - с выходом уровня белого блока синхронизации.

Отличительные признаки заявляемого многоспектрального радиометра, заключающиеся во введении в каждом канале последовательно соединенных управляемого фиксатора нуля и регулируемого импульсного корректора, включенных между соответствующими выходом фотоприемного устройства и входом усилительного блока, а также подключение управляющих входов управляемых фиксаторов нуля к выходу уровня черного, а управляющих входов регулируемых импульсных корректоров к выходу уровня белого блока синхронизации, соответствуют критерию существенные отличия, так как они дают возможность без изменения сигналов основной (измерительной) информации осуществить в электронном тракте преобразование сигналов калибровочной информации, позволяющее согласовать динамические диапазоны калибровочного и измеряемого излучения в различных спектральных зонах путем корригирования (ослабления излучения на разную величину в зависимости от длины волны) спектра излучения калибровочного излучателя под спектр Солнца

Это дает возможность не использовать для этой цели корригирующие оптические фильтры, которые снижают точность измерений из-за подверженности их влиянию внешних факторов, а также усложняют конструкцию Таким образом, в предлагаемом радиометре вновь введенные признаки проявляют новое неизвестное свойство, что является доказательством существенности отличий.

На чертеже приведена структурная схе ма многоспектрального сканирующего радиометра.

Многоспектральный сканирующий радиометр содержит оптически связанные сканирующее устройство 1, объектив 2, оптический коммутатор 3 с датчиком угла поворота (на схеме не показан), спектроделительное устройство 4, фотоприемное устройство 5, два калибровочных излучателя 6, 7, связанные с фотоприемным устройством 5 через оптический коммутатор 3 и спектроделительное устройство 4, при этом вход синхронизации оптического коммутатора 3 соединен со сканирующим устройством 1, а также усилительный блок 8 с числом каналов, равным количеству фоточувствительных элементов фотоприемного устройства 5, с цепями автокоррекции дрейфа нуля и крутизны преобразования в каждом канале, к выходам усилительного блока 8 подключен блок обработки и регистрации 9, блок синхронизации 10, вход которого соединен с выходом датчика угла поворота оптического коммутатора 3, выход уровня черного блока синхронизации 10 соединен с первым управляющим входом, являющимся входом цепи автокоррекции дрейфа нуля, а выход уровня белого со вторым управляющим входом, являющимся входом цепи автокоррекции крутизны преобразования каждого канала усилительного блока 8, и дополнительно введенные в каждом канале последовательно соединенные управляемый фиксатор нуля 11 и регулируемый импульсный корректор 12, включенные между соответствующими выходом фотоприемного устройства 5 и входом усилительного блока 8, при этом управляющие входы управляемых фиксаторов нуля 11 соединены с выходом уровня черного, а уп- равляющие входы регулируемых импульсных корректоров 12с выходом уровня белого блока синхронизации 10. Управ- ляемый фиксатор нуля 11 содержит разделительный конденсатор 13 и электронный ключ 14, а регулируемый импульсный корректор 12 выполнен в виде управляемого резистивного делителя 15, 16 и электронною ключа 17, при этом разделительный конденсатор 13 включен между входом и выходом управляемого фиксатора нуля 11, электронный ключ 14 включен между выходом управляемого фиксатора нуля 11 и общей шиной, а управляющий вход ключа 14 является управляющим входом управляемого фиксатора нуля 11, электронный ключ 17 соединен одним выводом с общей шиной, а другим, через управляемый резистивный делитель 15, 16, с входом регулируемого импульсного корректора 12, средний вывод управляемого резистивного делителя 15, 16 является выходом, а управляющий вход электронного ключа 17 является управляющим входом регулируемого импульсного корректора 12

Многоспектральный сканирующий радиометр работает следующим образом. Привод сканирующего устройства 1 изменяет положение зеркала сканирования таким образом, что мгновенное поле зрения радиометра перемещается перпендикулярно направлению движения носителя в пределах заданного угла обзора. Для управления движением оптического коммутатора 3 сканирующее устройство 1 имеет в своем составе фотоэлектрический датчик, который формирует сигналы о направлении сканирования (используются прямой и обратный ходы колебательного движения зеркала сканирующего устройства 1) и начале нерабочих уча- стков прямого и обратного сканов. Оптический коммутатор 3, основным функциональным узлом которого является, например, диск специальной формы с участком черненной поверхности (калибровочный излучатель 6), с прикрепленными оптическими элементами для коммутирования

0 излучения от калибровочного излучателя 7 и с прорезями для пропускания измеряемого излучения, приводится во вращательное движение с помощью двигателя постоянного тока и синхронизируется с определенны5 ми положениями колеблющегося зеркала сканирующего устройства 1 по сигналам с упомянутогого выше фотоэлектрического датчика. При этом диск оптического коммутатора 3 совершает один полный оборот за

0 один период колебания зеркала сканирующего устройства 1. По сигналам датчика угла поворота оптического коммутатора 3 блок синхронизации 10 вырабатывает управляющие импульсы черного и белого, кото5 рые соответствуют моментам поступления в видеотракт в нерабочих участках сканов калибровочных излучений от излучателей 6 и 7, соответствующих нижней и верхней границам динамического диапазона измере0 ний. При этом освещенность от Солнца на верхней границе атмосферы принимается за максимальное значение измеряемого излучения (уровень белого), а нижний уровень формируется при отсутствии

5 излучения при сканировании черненной поверхности (уровень черного).

В нерабочем участке скана, когда в поле зрения радиометра попадает калибровочный излучатель 6, т.е. сканируется чернен0 ная поверхность, в блоке синхронизации 10 вырабатывается импульс уровня черного, под действием которого открывается электронный ключ 14 каждого из управляемых фиксаторов нуля 11, и разделительный кон5 денсатор 13 разряжается до нулевого уровня, принятого за нижний предел динамического диапазона. В этот же отрезок времени по импульсу уровня черного в каждом канале усилительного блока 8 про0 изводится автоматическая компенсация дрейфа нуля. Затем, когда с помощью оптического коммутатора 3 на чувствительные элементы фотоприемного устройства 5 направляется световой поток от калибровоч5 ного излучателя 7 (в качестве которого, как правило, используется лампа накаливания), в блоке синхронизации 10 вырабатывается импульс уровня белого, под действием которого открывается электронный ключ 17 регулируемого импульсного корректора 12 в

каждом канале, и электрический сигнал, пропорциональный потоку от калибровочн- го излучателя 7, пройдя разделительный конденсатор 13, делится на управляемом резистивном делителе 15, 16 на величину К, определяемую его коэффициентом деления. (Различия в спектральных плотностях излучения калибровочного излучателя 7 и Солнца приводят к большому разбросу их эффективных значений в различных спект- ральных зонах, Например, для рассматриваемого нами конкретнго многоспектрального радиометра, имещего семь спектральных зон (СЗ) в спектральном диапазоне 0,4-2,5 мкм, в таблице приведены отношения потоков от ис- пользуемой в радиометре калибровочной лампы Фл и Солнца Фс при одинаковых условиях приема ), Величина К Фл/Фс для каждого канала устанавливается индивидуально при наземной градуировке много- спектрального радиометра по эталонному излучателю (на схеме не показан), поток излучения от которого соответствует максимальному излучению в динамическом диапазоне, из условия равенства амплиту- ды электрических сигналов от калибровочного излучателя 7 на выходах регулируемых импульсных корректоров 12 в нерабочем участке скана и амплитуды электрических сигналов на выходе соответствующих кана- лов усилительного блока 8 от эталонного излучателя в рабочем участке скана. Далее электрический сигнал от средней точки ре- зистивнго делителя 15, 16, соответствующий верхнему уровню динамического диапазона в каждом канале, поступает на вход соответствующего канала усиления усилительного блока 8, где в этот же отрезок времени по импульсу уровня белого производится автоматическая коррекция кру- тизны преобразования. Таким образом, . путем электронного корригирования (ослабления в К Фл/фс раз электрического сигнала, пропорционального излучению калибровочного излучателя 7) осуществля- ется согласование динамического диапазона измеряемого и калибровочного излучений.

В рабочем участке скана измеряемое излучение направляется в объектив 2, про- ходит через оптический коммутатор 3 и спектроделительное устройство 4. Прошедшее оптическую фильтрацию излучение преобразуется чувствительными элементами фотопрпемного устройства 5 в электри- ческие сигналы, которые поступают в каналы усиления усилительного блока 8, построенные с использованием устройств ав- то коррекции дрейфа нуля и крутизны преобразования. (Как было указано выше,

эти устройства автокоррекции подключаются на нерабочих участках сканов на время прохождения сигналов от калибровочных излучателей б, 7 и компенсируют систематические инструментальные погрешности, вырабатывая корректирующие сигналы управления, функционально зависимые от величин отклонения калибровочных сигналов отданных нулевого и опорного уровней напряжений, соответственно). На рабочем участке скана сохраняется коэффициент усиления, скорректированный на нерабочем участке. С выхода усилительного блока 8 измеряемые электрические сигналы поступают в блок обработки и регистрации 9, в котором после цифрового кодирования либо передаются по радиолинии на Землю, либо на регистрацию.

Таким образом, введение электронного корригирования позволяет повысить точность измерений в многоспектральчом сканирующем радиометре из-за меньших погрешностей установления калибровочных сигналов в формируемых спектральных зонах, так как использование электрорадиоэлементов вместо корригирующих оптических фильтров уменьшает составляющие погрешности, обусловленные температурными изменениями, запылением. старением и подверженностью к космическому излучению последних, которые в процессе эксплуатации радиометра могут достигнуть десятков процентов, тогда как уход параметров электрорадиоэлементов за те же сроки незначителен (не более 1%). Проста также техническая реализация устройства электронного корригирования в отличие от разработки и изготовления оптических корригирующих (как правило, многослойных интерференционных) фильтров, выгодно отличающегося удобством компоновки и габаритно-весовыми характеристиками.

Формула изобретения Многоспектральный сканирующий радиометр, содержащий оптически связанные сканирующее устройство, объектив, оптический коммутатор с датчиком угла поворота, спектроделительное устройство, фотоприемное устройство, два калибровочных излучателя, связанных с фотоприемным устройством через оптический коммутатор и спектроделительное устройство, при этом вход синхронизации оптического коммутатора соединен со сканирующим устройством, а также усилительный блок с числом каналов, равным количеству фоточувствительных элементов фотоприемного устройства, с цепями автокоррекции дрейфа нуля и крутизны преобразования, к выходам которого подключен блок обработки и регистрации, и блок синхронизации, вход которого соединен с выходом датчика угла поворота оптического коммутатора, выход уровня черного соединен с первым управляющим входом, а выход уровня белого - с вторым управляющим входом каждого канала усилительного блока, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений при упрощении конструкции радиометра, дополнительно введены в каждом

0

канале последовательно соединенные управляемый фиксатор нуля и регулируемый импульсный корректор, включенные между соответствующими выходом фотоприемного устройства и входом усилительного блока, при этом управляющие входы управляемых фиксаторов нуля соединены с выходом уровня черного, а управляющие входы регулируемых импульсных корректоров - с выходом уровня белого блока синхронизации.

Изобретение относится к области измерения излучения и обработки видеоинформации при дистанционном зондировании Земли. Сущность изобретения заключается во введении в каждом канале между соответствующим выходом фотоприемного устройства и входом усилительного блока устройства электронного корригирования, состоящего из последовательно соединенных управляемого фиксатора нуля и регулируемого импульсного корректора, засинхронизированных с оптическим коммутатором и цепями автокоррекции дрейфа нуля и крутизны преобразования усилительного блока. Это позволяет в электронном тракте согласовать динамический диапазон калибровочного и измеряемого излучений в различных спектральных зонах путем корригирования спектра излучения калибровочного излучателя под спектр Солнца. 1 ил. (Л с

tI

уровень Целого

уровень „ черного

Н

Jj

iJ

11

А-