Диссертация (1025532), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Рассмотрим некоторые, самые лучшие из них. В основном будем23рассматривать характеристики, оптические системы, технологии изготовления,достоинства и недостатки отечественной и зарубежной ГСА ДЗЗ.1.2.1. Гиперспектральная аппаратура ГСА-РП для космическогоаппарата Ресурс-ПГСА-РП разработана на Красногорском заводе им. С.А. Зверева по заказуГоскорпорации«Роскосмос».Аппаратура,имеетследующиетактико-технические характеристики (Таблица 1) [39]:Таблица 1.Тактико-технические характеристики ГСА-РПНаименованиеЗначениеРабочий спектральный диапазон, мкм0,40 – 0,96Количество спектральных каналовне менее 96Спектральное разрешение, нмне более 10Высота орбиты, км475Полоса захвата, км30Пространственное разрешение, м30Разрядность представления информации, бит/пиксель14Масса, кг90Габаритные размеры аппаратуры, ммВоптическойсистеме1030×1100×250ГСА-РПвыбранадвухканальнаяавтоколлимационная оптическая схема с призменным диспергирующимустройствомсобщимвходнымобъективом(Рисунок1.5)[40].Автоколлимационная схема обеспечивает сокращение массы и габаритовприбора.В качестве дисперсионного устройства использованы оптические призмы сотдельно стоящим автоколлимационным зеркалом.
Границы спектральныхканалов следующие: ВД1 – (0,40 – 0,65) мкм, ВД2 – (0,63 – 0,95) мкм. В каждом24канале непрерывный спектр проецируется объективом спектрометра нафоточувствительную поверхность кадрового ПЗС-приемника и регистрируетсяс шагом дискретизации элементов приемника.Рисунок 1.5. Оптическая схема ГСА-РПОптическая схема ГСА-РП представлена на Рисунке 1.5.
Она состоит изследующих основных элементов.–входнойобъектив1,строящийизображениеподстилающейповерхности в плоскости входной щели 2 спектрометра.–входная щель 2 спектрометра.–светоделительный блок 3, обеспечивающий разделение световогопучка и направления его в каналы ВД1 и ВД2.–объективы коллимирующие и фокусирующие 4 и 8 каналов ВД1 иВД2 соответственно.–устройства диспергирующие 5 и 9 каналов ВД1 и ВД2 соответственно.–автоколлимационные зеркала 6 и 10.25–компоновочные зеркала 7 и 11.В плоскости изображения входного объектива установлено по сути двеодинаковые щели – по одной для каждого канала.
Размер входной щели 18 мм ×18 мкм. Ход лучей в обоих каналах идентичен.Объективы входной и обоих каналов линзовые, с относительнымотверстием1:3,2,имеютнасыпнуюконструкцию,содержаттермокомпенсирующие элементы. В объективах применены стекла с особымходом дисперсии. Входной объектив имеет характеристики: фокусноерасстояние – 285 мм, линейное поле в пространстве изображений 18,4×3,2 мм,расчетное значение модуляционной передаточной функции на частотеНайквиста 28 мм-1 – не менее 0,85, расчетная дисторсия – не более 0,2%,обеспечивается телецентрический ход в пространстве изображений.
Объективыканалов ВД1 и ВД2 имеют следующие основные характеристики: фокусноерасстояние – 270 мм, угловое поле в пространстве изображений 6,5°, расчетноезначение модуляционной передаточной функции на частоте Найквиста 28 мм-1– не менее 0,85, обеспечивается телецентрический ход в пространствеизображений. Расчетная дисторсия объектива канала ВД1 – не более 0,145%;канала ВД2 – не более 0,005%.Диспергирующиедвухпризменныеблоки.устройстваУДпредставляютрассчитанынасобойминимизациюсклеенныекривизныизображения входной щели при этом присутствует существенная нелинейностьспектрального разрешения: при переходе от коротковолновой границырабочего спектрального диапазона к длинноволновой оно увеличивается болеечем в 5 раз.
Это увеличение частично компенсируется нелинейнымбинированием строк приемника изображения (ПИ). Совместно с объективамиканалов ВД1 и ВД2 УД обеспечивают спектральное разрешение ГСА-РП неболее 10 нм.Автоколлимационные зеркала предназначены для направления световогопотока, прошедшего через УД, вновь в УД для повторного прохода. Тем самым26достигаетсяувеличениедисперсии,исоответственно,спектральногоразрешения прибора.
Перед зеркалом в каждом канале установлена диафрагма,выполняющаярольапертурнойдиафрагмысоответствующегоканаласпектрометра. Компоновочные зеркала направляют световой поток, вышедшийиз объективов на светочувствительную поверхность ПИ.В приемниках аппаратуры используется скоростная кадровая ПЗС матрица«Кадр-РП» разработки ЗАО «НПП «Элар».
В Таблице 2 представленыхарактеристики матрицы [41].Таблица 2.Тактико-технические характеристики ПЗС «Кадр-РП»НаименованиеФормат фотозоныЗначение1024×216Размер ячейки, мкм18×18Частота считывания, МГцдо 15Количество выходовЧастота вертикального переноса, МГц4до 1,5На настоящий момент успешно прошли летные испытания и введены вэксплуатацию два образца ГСА-РП в составе космических аппаратов«Ресурс-П». Готовится к запуску на орбиту третий космический аппарат.На момент разработки, аппаратура ГСА-РП обладала прогрессивнымихарактеристиками.
Сейчас, хотя характеристики являются актуальными, но уженесколько устарели и требуют дальнейшего развития [42]. Из недостатков,выявленных в ходе эксплуатации можно отметить низкое отношениесигнал/шум в коротковолновой области спектра, которое является следствиемвысокого поглощения при прохождении света через большую толщу стекла воптической системе и низкой спектральной чувствительности ПЗС-матрицы вэтой области спектра.271.2.2. PRISMA – итальянская гиперспектральная программаPRISMA (PRecursore IperSpettrale della Missione Applicativa) – программаИтальянского космического агентства (ASI) по обзору Земли, которая сочетаетв себе инновационные оптико-электронные инструменты: гиперспектральныйсенсор и панхроматическую камеру среднего разрешения.В системе используется общий входной объектив с разделением поля нагиперспектральный сенсор и панхроматическую камеру.
Тактико-техническиехарактеристики гиперспектрального сенсора вместе с входным объективомпредставлены в Таблице 3 [43].Таблица 3.Тактико-технические характеристики ГСА PRISMAНаименованиеРабочий спектральный диапазон, нмКоличество спектральных каналовСпектральное разрешение, нмЗначение400 – 250566/171не более 12Высота орбиты, км700Полоса захвата, км30Пространственное разрешение, м30Разрядность представления информации, бит/пиксель14Масса, кгменьше 90Входной объектив построен по схеме зеркального триплета с эксцентричнорасположенным полем изображения (Рисунок 1.6,а) и имеет характеристики:фокусное расстояние – 695 мм, относительное отверстие – 1:3,3, расчетноезначение модуляционной передаточной функции на частоте Найквиста16,7 мм-1 – не менее 0,8. Оптическая система спектрометра двухканальная(Рисунок 1.6,б).28а)б)Рисунок 1.6.
Оптическая схема ГСА PRISMA: а) входной объектив; б)спектрометрВходная щель спектрометра, размером 30 мм × 30 мкм, общая для двухканалов, разделение излучения происходит внутри спектрометра с помощьюдихроичнойпластины.Границыспектральныхканаловследующие:29VNIR (visible and near infrared) – (400 – 1010) нм и SWIR (short-wave infrared) –(920 – 2505) нм. Диспергирующие устройства призменные. В приемникахобоих каналов используются одинаковые HgCdTe матрицы производствакомпании Sofradir с размером пикселя 30 мкм и чувствительностью от 0,4 до2,5 мкм [44, 45].
Для считывания в каждом пикселе встроена специальнаяинтегральная схема, называемая readout integrated circuits (ROIC), чтопозволило получить высокое быстродействие [45]. Судя по оптической схеме,спектрометр не обеспечивает телецентрический ход лучей в пространствеизображения.Спектрометр PRISMA работает в широком спектральном диапазоне, чтотрудно получить в призменных диспергирующих устройствах.
Тем не менее,кривизна и разность длин спектральных линий исправлены до 10 % от размерапикселя. Как видно из оптической схемы, для исправления аберрацийпризменных УД используются объективы с несимметричной конструкцией,децентрированными относительно оптической оси элементами. Очевидно, чтоизготовление и, особенно, сборка и юстировка таких объективов невероятносложная задача. Разработка аппаратуры началась в 2008 году и первоначальнозапуск на орбиту был назначен на 2011 год [44]. Однако затем он неоднократнопереносился и сейчас запуск запланирован на 2017 год [46].
По некоторымданным [47], это может быть слишком оптимистичный прогноз.1.2.3. EnMAP – германская гиперспектральная программаEnMAP (Environmental Monitoring and Analysis Program) – германскаягиперспектральная программа экологического мониторинга, разрабатываемаякомпанией Kayser-Threde по заказу Германского аэрокосмического агентства(DLR).ОсновнымисследовательскиминструментомEnMAPявляетсягиперспектральная съемочная аппаратура (HSI – Hyper-Spectral Imager).Аппаратура имеет тактико-технические характеристики, перечисленные вТаблице 4 [48-50].30Таблица 4.Тактико-технические характеристики HSI EnMAPНаименованиеРабочий спектральный диапазон, нмКоличество спектральных каналовСпектральное разрешение, нмВысота орбиты, кмПолоса захвата, кмПространственное разрешение, мРазрядность представления информации, бит/пиксельМасса, кгЗначение420 – 245094/1346,5/10653303014250Аппаратура имеет два спектральных канала и общий входной объектив(Рисунок 1.7) [51].
Входной объектив построен по схеме зеркального триплетаи имеет характеристики: фокусное расстояние – 522,4 мм, относительноеотверстие – 1:3,0, угловое поле по захвату – 2,63°, телецентрический ход лучейв пространстве изображений.Рисунок 1.7. Оптическая схема HSI EnMAP31Спектральный диапазон поделен на два канала: VNIR (visible and nearinfrared) – (420 – 1000) нм и SWIR (short-wave infrared) – (900 – 2450) нм. Вфокальной плоскости входного объектива расположен разделитель поля,имеющий две щели, размерами 24 мм × 24 мкм и микрозеркало (Рисунок 1.8).Рисунок 1.8.
Разделитель поля с микрозеркаломДля каждого канала используется отдельный спектрометр. Оптическаясхема спектрометров построена на основе диспергирующего устройства,представляющего собой призмы со сферическими гранями, называемыепризмами Фери (Рисунок 1.9). Плоскости изображения и входной щелинаклонены относительно оптической оси спектрометров, телецентрический ходлучейвпространствеизображенийнеобеспечивается.спектральных линий исправлены до порядка 20% величины пикселя.Рисунок 1.9. Оптическая схема спектрометра с призмами ФериИскажения32К достоинствам можно отнести полностью алюминиевую конструкцию, несчитая стекла, что дало хорошие показатели по термонерасстраиваемостиоптики.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
