Диссертация (1025532), страница 19

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

Текст из файла (страница 19)

Оси вращения поверхностейзеркал совпадают с оптической осью объектива. Вершины зеркал 2 и 4совмещены. Диспергирующее устройство 5 выполнено в виде плоскойотражательной дифракционной решетки.148Рисунок 5.6. Оптическая схема спектрометра с дифракционной решеткойПроизведемрасчетхарактеристикспектрометрасдифракционнойрешеткой.

Исходными данными при этом зададимся такими:– спектральный диапазон: 1,0-2,5 мкм;– размер пикселя 30 мкм;– спектральное разрешение порядка 8 нм;– длина входной щели 24 мм.Значение линейной дисперсии спектрометра будет равно 3,75 мкм/нм.Поформуле(2.20)определимдлинуволны«блеска»решеткибл  1,43 мкм.Рассчитаем фокусное расстояние объектива спектрометра, задав величинустрелки прогиба линий в изображении не более 10% от размера пикселя поформуле (2.26): f   360 мм.Откуда по формуле (2.25) найдем число штрихов на единицу длины-1дифракционной решетки N  10,4 мм .149Установим N = 10 мм-1.

Зная параметры дифракционной решетки ифокусноерасстояниеобъектива,произведемрасчетконструктивныхпараметров ОС спектрометра. Полученный спектрометр имеет слишкомбольшуюкривизнуспектральныхлинийудлинноволновойграницыспектрального диапазона. Это произошло потому, что минимизация кривизныспектральных линий осуществлялась с самого начала только для одной длиныволны.Зададим величину стрелки прогиба линий в изображении не более 0,001мкм на длине волны «блеска» и повторно вычислим фокусное расстояние ичисло штрихов на единицу длины дифракционной решетки:f   621мм,N  6 мм -1 .Пересчитаем конструктивные параметры ОС спектрометра.r1  622,908b1  0,205d1  362,553r2  454,544b2  0d 2  362,553r3  1386,267b3  1,799Получившийся спектрометр имеет следующие характеристики:–спектральный диапазон: 1,0-2,5 мкм;–относительное отверстие: 1:3,3;–длина входной щели: 24 мм;–линейное поле в пространстве изображений: 23,4×5,5 мм;–кривизна спектральных линий не более 4,5 мкм во всем рабочемспектральном диапазоне;–дисторсия по краю поля изображения не более 4,5 мкм;–средняя обратная линейная дисперсия 0,273 нм/мкм;–МПФ на пространственной частоте 16,7 мм-1 не менее 0,7 во всемрабочем спектральном диапазоне для всех точек линейного поля;150–обеспечиваетсятелецентрическийходлучейвпространствеизображений.Насхемузеркальногоавтоколлимационногоспектрометрасдифракционной решеткой получен патент на изобретение [155].5.5.Спектрометрсдифракционнойрешеткойитремяасферическими поверхностями второго порядкаПовыситькачествоизображения,можнонемногопожертвовавтехнологичностью схемы зеркального автоколлимационного спектрометра.Введем АП на зеркало 3 (Рисунок 5.6) спектрометра с УД на основедифракционной решетки, кроме того сделаем переменным параметр числаштриховнаединицудлиныдифракционнойрешетки,ипроизведемоптимизацию.

В результате были получены следующие конструктивныепараметры:r1  1092,360b1  0,216d1  672,388r2  762,532b2  0,304d 2  672,388r3  2499,252b3  1,611Выпуклое зеркало приобрело форму сплюснутого эллипсоида, а числаштрихов на единицу длины дифракционной решетки – 2,83 мм-1 . При этомхарактеристики спектрометра получились такие:–спектральный диапазон: 0,9-2,5 мкм;–относительное отверстие: 1:3,1;–длина входной щели: 30 мм;–линейное поле в пространстве изображений: 29,62×4,83 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 0,33 нм/мкм;151–МПФ на пространственной частоте 16,7 мм-1 не менее 0,7 во всемрабочем спектральном диапазоне для всех точек линейного поля;–обеспечиваетсятелецентрическийходлучейвпространствеизображений.Как видим, введение АП на выпуклом зеркале объектива позволилоисправить дисторсию (на уровне 10% от размера пикселя) в изображенииспектрометра,расширитьспектральныйдиапазон,атакжеувеличитьотносительное отверстие и линейное поле.5.6.Спектрометр с разложением спектра в сагиттальном сеченииДанныйспектрометротличаетсятем,чтоглавноесечениедиспергирующего устройства расположено перпендикулярно, а входная щельпараллельно меридиональной плоскости (Рисунок 5.7).Рисунок 5.7.

Спектрометр с дифракционной решеткой и разложением спектра всагиттальном сеченииПрименим этот принцип к спектрометру с дифракционной решеткой6 мм-1, рассчитанному в пункте 5.4.152Послеоптимизациибылиполученыследующиеконструктивныепараметры объектива спектрометра:r1  721,745b1  0,202d1  393,781r2  455,535b2  0d 2  393,781b3  1,813r3  1514,493Полученный спектрометр имеет следующие характеристики:–спектральный диапазон: 1,0-2,5 мкм;–относительное отверстие: 1:3,24;–длина входной щели: 27 мм;–линейное поле в пространстве изображений: 26,75×6,45 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 0,232 нм/мкм;–МПФ на пространственной частоте 16,7 мм-1 не менее 0,7 во всемрабочем спектральном диапазоне для всех точек линейного поля;–обеспечиваетсятелецентрическийходлучейвпространствеосновеполученныхизображений.5.7.Гиперспектральнаяаппаратуранаоптических системВ результате произведенных расчетов, были получены конструктивныепараметрыоптическихсистемнаосновесхемызеркальногоавтоколлимационного спектрометра с исправленной дисторсией и качествомизображения,близкимкдифракционномупределу.Математическоемоделирование теоретических исследований и созданных на их основе методикрасчета, подтвердили эффективность разработанных схемных решений.153Проведенные теоретические исследования и разработанные методикипроектирования позволили создать оптическую систему с входным зеркальнымобъективом с эксцентрично расположенным полем изображения с фокусом 550мм и зеркальным автоколлимационным спектрометром с дифракционнойрешеткой для малогабаритной ГСА ДЗЗ, с высокими оптико-техническимихарактеристиками: спектральным разрешением 10 нм в диапазоне от 900 до2500 нм, угловым разрешением 11,25 угл.с., угловым полем 3,12 градуса, атакже размерами менее 1 м и массой не более 50 кг.Рисунок 5.8.

Оптическая система для малогабаритной ГСАВТаблицехарактеристики17представленылучшеймировойсравнительныеперспективнойгиперспектральной аппаратуры и рассчитанной системы.оптотехническиекосмической154Таблица 17.Сравнительные технические характеристики ГСАНаименование ГСАPRISMA(канал SWIR)HISUI(канал SWIR)EnMAP(канал SWIR)HYPXIM-P(канал SWIR)SHALOM(канал SWIR)Спектральныйдиапазон, нмПространственноеПолосаСпектральноеразрешение*, м захвата*, км разрешение, нм920-2500303012900-2500303012,5900-245030305,2-12,51100-250081610920-2500303010HyspIRI (2014)380-2500303710Расчетнаясистема900-2500303010* Характеристики приведены для рабочих параметров съемки, для рассчитанной системыхарактеристики вычислены для съемки с высоты 550 км и размера пикселя 30 мкмКаквидно,характеристикирасчетнойсистемысравнимысхарактеристиками зарубежных аналогов.Таким образом, полученные системы обладают высокими оптикотехническими характеристиками на уровне перспективных мировых аналогов,причем схема зеркального автоколлимационного спектрометра имеет широкиевозможности оптимизации с целью повышения характеристик, напримерприменение асферики высших порядков, применение материалов с особымходом дисперсии, голограммных дифракционных решеток, решеток спеременным шагом, со специальной формой штрихов, комбинации призмы идифракционной решетки и т.д.

Аппаратуру на основе представленныхоптических систем возможно изготавливать в настоящее время на базераспространенных технологических решений.155Выводы по главе 51. Создан ряд новых оптических систем на основе схем зеркальногоавтоколлимационногоспектрометраиобъективасэксцентричнорасположенным полем изображения, защищенных 4 патентами, отличающихсямалыми габаритами и формирующими высококачественное изображениеповерхности Земли.2. Математическое моделирование конкретных вариантов оптическихсистем подтвердило эффективность разработанных схемных решений иметодик.3.

РазработанагиперспектральнойоптическаяаппаратурысистемадистанционногодлямалогабаритнойзондированияЗемли,устанавливаемой на малых космических аппаратах, синтезированная на основезеркального объектива с эксцентрично расположенным полем изображения сфокусом 550 мм и автоколлимационного спектрометра с дифракционнойрешеткой с техническими характеристиками: спектральным разрешением 10 нмв диапазоне от 900 до 2500 нм, угловым разрешением 11,25 угл.с., угловымполем 3,12 градуса, а также размерами менее 1 м и массой менее 50 кг.156ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ1. Предложена и исследована новая оптическая схема зеркальногоавтоколлимационногоспектрометра.Разработанаметодикарасчетаконструктивных параметров, на основе которой рассчитаны оптическиесистемы зеркального автоколлимационного спектрометра, формирующиеизображениесисправленнойдисторсиейикачеством,близкимкдифракционному пределу.2.

Разработанные оптические схемы и методики расчета позволилидостичь следующих технических характеристик в оптических системах длямалогабаритной гиперспектральной аппаратуры дистанционного зондированияЗемли из космоса: спектральное разрешение 10 нм в диапазоне от 900 до 2500нм, угловое разрешение 11,25 угл.с., угловое поле 3,12 градуса, а такжегабариты менее 1 м и массу менее 50 кг.3. Разработана методика юстировки и контроля гиперспектральнойаппаратуры на основе зеркального объектива с эксцентрично расположеннымполем изображенияизеркального автоколлимационногоспектрометра,обеспечивающая выставление зеркал объектива и спектрометра с точностью до1 мкм и юстировку приемника и диспергирующего устройства по анализуошибок распределения изображения на поверхности приемника.4.

Характеристики

Список файлов диссертации