Диссертация (1025532), страница 18

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 18)

Уравнения решаются итерационно методом последовательныхприближений, пока не выполнен критерий остановки итерационного процесса,в качестве которого можно взять выполнение условия  1 , 2 , 3   , где  задаваемая малая величина.137В итоге получим уточненные параметры положения ЗД2ЗначенияусредняютсядлянесколькихпоследовательныхA2 , h2 , w2 .измеренийпроизведенных ЗД в режиме калибровки.АналогичноуточняютсяпараметрыAi, hi, wiвзаимнойугловойориентации каждого звездного датчика, входящего в состав устройстваконтроля углового положения оптической оси ГСА в процессе съемки,относительно ЗД1, выбранного базовым.Для вычисления поправочных коэффициентов согласующих положениеСК ЗД1 в ПСК применяют два основных метода: съемку опорных точек наземле и режим астрономического контроля согласования осей (АКСО).

Выбородного из этих методов во многом зависит от возможностей и предназначенияоптико-электронной аппаратуры.При согласовании ПСК и СК ЗД в режиме АКСО ГСА производитсканирование звездного поля, с постоянной угловой скоростью, получениеснимков с телескопа происходит синхронно с определением ориентации ЗД[145, 146].

Полученные снимки анализируются, на основании известныхзвездных скоплений происходит вычисление последовательностей значенийматриц ориентации ПСК относительно ИСК. Используя в качестве опорныхзначений вычисленные по снимкам ГСА матрицы ориентации, а такжесформированные матрицы ориентации выбранного за базовый ЗД, уточняетсяфактическое положение ЗД в ПСК.При согласовании СК телескопа и ЗД по наземным опорным точкам,решается обратная фотограмметрическая задача, исходными данными длякоторой являются уточненная матрица ориентации, вычисленная по значениямЗД и положение опорной точки на кадре снимка ГСА [147, 148].

Решениеданнойзадачиоснованонаиспользованииуравненийвыражающихзависимость между координатами (x, y) точки на изображении и координатами(X, Y, Z) соответствующей точки объекта. Зная координаты точки объекта вИСК и параметры орбиты КА можно определить направление оптической оси138ГСА и, зная соответствующие этой точке изображения координаты ЗД в ИСК,вычислить фактическое положение ЗД в ПСК.В результате получим уточненные значения параметров взаимной угловойориентации СК базового ЗД и ПСК.

Параметры Ai , hi , wi угловой ориентацииостальных звездных датчиков относительно базового ЗД пересчитываются всоответствии с новыми значениями A1 , h1 , w1 .Вычисления оптимально производить на наземном пункте обработкиинформации, а затем передавать калибровочные коэффициенты для записи впамять аппаратуры.Таким образом, была предложены устройство и методика контроляуглового положения оптической оси гиперспектральной аппаратуры в процессесъемки для решения фотограмметрических задач при обработке изображений.Разработана методика калибровки взаимного углового положения звездныхдатчиков угловой ориентации в составе устройства для учета систематическихпогрешностей, возникающих в процессе эксплуатации аппаратуры.Выводы по главе 41. Предложеныспособыпроведенияпериодическогоконтролярадиометрических характеристик гиперспектральной аппаратуры для еепериодической проверки и калибровки в процессе эксплуатации на орбите.2.

Разработана методика оперативного контроля углового положенияоптической оси гиперспектральной аппаратуры в процессе съемки для решенияфотограмметрических задач при обработке изображений.3. Разработана методика калибровки взаимного углового положениязвездных датчиков угловой ориентации в составе устройства контроля угловогоположения оптической оси гиперспектральной аппаратуры в процессе съемкидляучетасистематическихэксплуатации аппаратуры.погрешностей,возникающихвпроцессе139ГЛАВА 5.РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНОЙАППАРАТУРЫВ настоящей главе приводится применение разработанных методикпроектирования при расчете конкретных вариантов ОС зеркального объективаи спектрометров с различными типами диспергирующих устройств.5.1.Зеркальный объектив с эксцентрично расположенным полемизображенияУстановим, что расстояния от первого до второго зеркала и от второго дотретьего равны d1  d 2  d , а второе зеркало – выпуклое сферическое.

Дляупрощения расчетов установим также приближенные значения первого радиусаr1  2,0 и расстояния d  0,6 . Решаем уравнения (2.29), подставляя в них(2.25)-(2.28) и (2.31), и находим конструктивные параметры объективаr1 , r2 , r3 , d , b1 , b3 .Запишем рассчитанные конструктивные параметры приведенной системы:r1  2,0b1  0d1  0,6r2  0,61d 2  0,6r3  0,89b3  0,0011где b – коэффициент деформации асферической поверхности второгопорядка b = – e2 .140При этом остаточные значения сумм Зейделя составят:S I  0,279,S II  0,641,S III  0,313,S IV  0,032,SV  3,127.Рассчитаемобъективсфокуснымрасстояниемf = −100 ммиотносительным отверстием 1:3 [151].По формуле (2.38) произведем предварительный расчет минимальногорабочего угла поля объектива ω1, установив величину sp для начала равнойфокусному расстоянию, получим 1  7,4Расширим угловое поле до 2° в меридиональной плоскости и ±5° всагиттальной и произведем оптимизацию в программе автоматизированногорасчета оптических систем.

В результате оптимизации получился объектив соследующими конструктивными параметрами:r1  208,686b1  1,400d1  60r2  65,665d 2  60r3  93,798b3  0,200Оптическая схема объектива представлена на Рисунке 5.1.141Рисунок 5.1. Оптическая схема объективаВ объективе достигнута высокая степень качества изображения в широкомугловом поле, близкая к дифракционному пределу, максимальный диаметркружка рассеяния точки не превышает 10 мкм (Рисунок 5.2).Рисунок 5.2. Модуляционная передаточная функция и диаграммы кружкарассеяния точки объектива142Проверочный расчет подтвердил правильность методики габаритноаберрационного расчета объектива с эксцентрично расположенным полемизображения.На основе разработанной методики был рассчитан входной объектив дляперспективной ГСА с фокусным расстоянием 550 мм, относительнымотверстием 1:3 и линейным полем изображения 30,55×7,75 мм (Рисунок 5.3,а), атакже объектив для съемочной аппаратуры высокого пространственногоразрешения с фокусным расстоянием 3300 мм, относительным отверстием 1:8 илинейным полем изображения 358×100 мм (Рисунок 5.3,б).а)б)Рисунок 5.3.

Зеркальный объектив с эксцентрично расположенным полемизображения: а) с фокусным расстоянием 550 мм; б) с фокусным расстоянием3300 мм1435.2.Спектрометр с одной призмой с зеркальным покрытием,нанесенным на последнюю граньОптическая схема спектрометра, представленная на Рисунке 5.3, состоитиз входной щели 1, объектива из трех зеркал 2, 3 и 4, диспергирующегоустройства 5 и плоскопараллельной стеклянной пластинки 6.Зеркало 2 является вогнутым внеосевым фрагментом сплюснутогоэллипсоида, зеркало 3 – выпуклое сферическое, расположено на оптическойоси спектрометра, зеркало 4 – внеосевой фрагмент вогнутого гиперболоида, осивращения поверхностей зеркал совпадают с оптической осью объектива.Диспергирующее устройство 5 выполнено в виде стеклянной призмы сплоскими гранями и зеркальным покрытием на последней грани призмы.Расстояние от вершины зеркала 2 до вершины зеркала 3 равно расстоянию отвершины зеркала 3 до вершины зеркала 4.

В спектрометре установленаплоскопараллельная пластинка 6 из стекла К8 вблизи плоскости изображения,имитирующая защитное стекло приемника изображения (Рисунок 5.4).Рисунок 5.4. Оптическая схема спектрометра с УД на основе одной призмы сзеркальным покрытием, нанесенным на последнюю грань144Произведем расчет характеристик спектрометра с автоколлимационнойпризмой. Исходными данными при этом зададимся такими:– спектральный диапазон: 1,0-2,3 мкм;– размер пикселя 30 мкм;– спектральное разрешение порядка 15 нм;– диаметр входного зрачка объектива не более 200 мм – выбрано сучетом того что призмы большего размера сложно изготовить;– длина входной щели 20 мм.Значение линейной дисперсии спектрометра будет равно 2 мкм/нм.Для изготовления призмы выберем материал с хорошей степеньюдисперсии – стекло марки БФ21. Рассчитаем фокусное расстояние объективаспектрометра.

Зададим величину стрелки прогиба в изображении спектрометране более 10% от размера пикселя. Согласно ГОСТ 13659–78 [152] выпишемзначения показателя преломления стекла БФ21 у границ и посерединеспектрального диапазона и посчитаем дисперсию.n( 1,0)  1,5987,n( 1,1)  1,59696,dn(  1,0)  0,0174 мкм -1 ;dn( 1,5)  1,5916,n( 1,6)  1,5904,dn(  1,5)  0,012 мкм -1 ;dn( 2, 2)  1,5829,n( 2,3)  1,5815,dn(  2,2)  0,014 мкм -1 .dФокусное расстояние объектива спектрометра вычисляется из формулы(2.8):f (  1,0)  847 мм; ,f (  1,5)  1016 мм;f (  2,2)  936 мм.145С учетом того, что аберрации призмы можно компенсировать аберрациямиобъектива спектрометра, для увеличения светосилы, установим f   800 мм .Определимконструктивныепараметрыобъективапометодикеаберрационного расчета.

Конструктивные параметры объектива, рассчитанныев предыдущем параграфе, пересчитываются и оптимизируются для фокусногорасстояния f   800 мм . В заключение объектив оптимизируется совместно сдиспергирующим устройством в составе спектрометра.Послеоптимизациибылиполученыследующиеконструктивныепараметры объектива спектрометра:r1  722,148b1  0,204d1  441,226r2  433,301b2  0d 2  441,226r3  1486,290b3  1,338Спектрометр имеет следующие характеристики:–спектральный диапазон: 1,0-2,3 мкм;–относительное отверстие: 1:4,0;–длина входной щели: 21 мм;–линейное поле в пространстве изображений: 20,4×2,51 мм;–кривизна спектральных линий не более 3 мкм во всем рабочемспектральном диапазоне;–дисторсия по краю поля изображения не более 3 мкм;–средняя обратная линейная дисперсия 0,518 нм/мкм;–МПФ на пространственной частоте 19 мм-1 не менее 0,7 во всемрабочем спектральном диапазоне для всех точек линейного поля;–обеспечиваетсятелецентрическийходлучейвпространствеизображений.На схему зеркального автоколлимационного спектрометра с призменнымдиспергирующим устройством получен патент на изобретение [153, 154].1465.3.Спектрометр с двумя склеенными призмами с зеркальнымпокрытием, нанесенным на последнюю граньДля примера была рассчитана ОС спектрометра с комбинацией марокстекол ЛК7 – БФ21 в УД (Рисунок 5.5).

В данном случае стекло марки ЛК7просто было добавлено в УД спектрометра полученного выше и произведенаоптимизация.Рисунок 5.5. Оптическая схема спектрометра с УД на основе двух склеенныхпризм с зеркальным покрытием, нанесенным на последнюю граньПослеоптимизациибылиполученыследующиеконструктивныепараметры объектива спектрометра:r1  795,258b1  0,195d1  479,104r2  614,225b2  0d 2  479,104r3  1807,673b3  1,734147ДобавлениепризмывУДспектрометрапозволилоповыситьхарактеристики спектрометра, в особенности дисперсию и светосилу.–спектральный диапазон: 1,0-2,3 мкм;–относительное отверстие: 1:3,5;–длина входной щели: 21 мм;–линейное поле в пространстве изображений: 20,93×5,17 мм;–кривизна спектральных линий не более 3 мкм во всем рабочемспектральном диапазоне;–дисторсия по краю поля изображения не более 3 мкм;–средняя обратная линейная дисперсия 0,252 нм/мкм;–МПФ на пространственной частоте 16,7 мм-1 не менее 0,7 во всемрабочем спектральном диапазоне для всех точек линейного поля;–обеспечиваетсятелецентрическийходлучейвпространствеизображений.5.4.Спектрометр с дифракционной решеткойВ спектрометре в качестве диспергирующего устройства используетсяплоская отражательная дифракционная решетка с равномерным шагом итреугольнымпрофилемштрихов(Рисунок5.6).Вобъективетакжеиспользуется зеркало 2, являющееся внеосевым фрагментом вогнутогосплюснутого эллипсоида, зеркало 4 – внеосевой фрагмент вогнутогогиперболоида, и выпуклое сферическое зеркало 3.

Характеристики

Список файлов диссертации