Диссертация (1025532), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Также больший коэффициент пропускания излучения в широкомспектральном диапазоне, по сравнению с решетками, кроме того, нетнеобходимости в блокировании паразитных изображений высшего порядка.В приемниках изображения аппаратуры используются: скоростная CMOSматрица производства фирмы E2V для VNIR канала и HgCdTe матрицапроизводства компании AIM Infrarot-Module GmbH для SWIR канала(Рисунок 1.10) [52, 53].а)б)Рисунок 1.10. HgCdTe матрица SWIR канала EnMAP: а) светочувствительнаяповерхность; б) в сборе с защитным стеклом и охлаждающей системойДля считывания в каждом пикселе встроена специальная интегральнаясхема ROIC, технология, схожая с CMOS, что позволило получить высокоебыстродействие (Таблица 5).Таблица 5.Тактико-технические характеристики матриц EnMAPНаименованиеE2VAIM1024×5121024×256Размер ячейки, мкм24×2424×32Частота кадров, Гц22722788Формат фотозоныЧисло выходов33Очевидно, самыми большими недостатками оптической системы EnMAPявляютсятехнологическиетрудностиизготовленияиюстировкивспектрометре призм Фери.
Разработка EnMAP началась в 2006 году,первоначально запуск на орбиту был назначен еще на 2009 год [48]. Внастоящий момент запуск запланирован на 2018 год [54].1.2.4. Гиперспектральная аппаратура M3 NASAM3 – гиперспектральная аппаратура спутника Chandrayaan-1 Индийскойорганизации по исследованию Космоса. М3 разработана в Jet PropulsionLaboratory (JPL), подразделении NASA при Калифорнийском технологическоминституте и имеет тактико-технические характеристики, представленные вТаблице 6 [55].Таблица 6.Тактико-технические характеристики М3НаименованиеЗначениеРабочий спектральный диапазон, мкм0,43 – 3,00Количество спектральных каналов260Спектральное разрешение, нм10Высота орбиты (лунная полярная орбита), км100Полоса захвата, км40Пространственное разрешение, м70Разрядность представления информации, бит/пиксель14Масса, кг10В основе прибора лежит полностью зеркальная оптическая система.
Всеэлементы изготовлены из алюминиевых сплавов, что дало возможность сделатьтермонерасстраиваемую конструкцию. Оптическая система М3 состоит извходногообъектива,построенногопосхемезеркальноготриплетасэксцентрично расположенным полем изображения и зеркального спектрометрапо схеме Оффнера (Рисунок 1.11) [55, 56].34Рисунок 1.11. Оптическая схема гиперспектральной аппаратуры М3Размер входной щели 16,2 мм × 27 мкм.
Схема зеркального триплетаизвестна своими компактными размерами и высокими возможностямикоррекции аберраций. Входной объектив имеет характеристики: фокусноерасстояние – 40,18 мм, угловое поле по захвату – 24°, относительное отверстие– 1:3,15, почти дифракционное качество изображения, телецентрический ходлучей в пространстве изображений.Схема Оффнера часто используется в спектрометрах зарубежнойгиперспектральной аппаратуры [55-59]. Благодаря концентричной форме ирасположению зеркал, она обеспечивает минимальные искажения изображенияспектральных линий.
В спектрометре М3 первое и третье зеркала объединены вединое сферическое зеркало. По сути схема Оффнера – это проекционныйобъектив с добавленной функцией разложения изображения в спектр.Относительное отверстие спектрометра – 1:3,55, меньше, чем у входногообъектива,определяетотносительноеотверстиевсейсистемы.Схемаобеспечивает телецентрический ход лучей в пространстве изображений.Диспергирующим элементом является дифракционная решетка на второмвыпуклом зеркале. С помощью обычной решетки невозможно получить такихвпечатляющих характеристик в схеме Оффнера.
Используется дифракционнаярешетка с переменным углом блеска (Рисунок 1.12).35а)б)Рисунок 1.12. Дифракционная решетка с переменным углом блеска навыпуклом зеркале: а) внешний вид; б) график дифракционной эффективностиРешетка поделена на три зоны с разными углами блеска, причем двойнымиуглами блеска («dual blazed»). Это позволило расширить спектральныйдиапазон, используемый в одном порядке спектра, исправить искажения.Дифракционная эффективность решетки больше в длинноволновом диапазонедля компенсирования падения яркости солнечного излучения. Такие решеткиизготавливаются методом электронно-лучевой литографии – фирменнойтехнологии лаборатории JPL [59].В приемнике изображения аппаратуры М3 используется матрица Teledyne6604a фирмы Teledyne Imaging Sensors с расширенным спектральнымдиапазоном от 0,4 до 3,0 мкм (Рисунок 1.13) [60, 61].Рисунок 1.13.
Внешний вид и характеристики матрицы Teledyne 6604a36Материал матрицы – HgCdTe с удаленной подложкой для расширениячувствительности в видимой области спектра до 0,4 мкм [61]. Для считывания вкаждомпикселевстроенаROIC,чтопозволилополучитьвысокоебыстродействие (Таблица 7).Таблица 7.Тактико-технические характеристики матрицы Teledyne 6604aНаименованиеЗначениеФормат фотозоны640×480Размер ячейки, мкм27×27Частота считывания, МГцдо 8Число выходов4Частота кадров, Гцдо 100Как видим у М3 достаточно низкие характеристики входного объектива поспектральномуразрешениюизахвату.Интересздесьпредставляетспектрометр.
Применение дифракционной решетки с переменным двойнымуглом блеска позволило достичь очень высоких характеристик, не считаяразмеров входной щели. Уровень сигнала меньше в коротковолновой областииз-за низкой дифракционной эффективности решетки.1.2.5.
HyspIRI – перспективная гиперспектральная аппаратура NASAHyspIRI (Hyperspectral Infrared Imager) – еще одна разработка лабораторииJPL по заказу NASA. Содержит два инновационных оптико-электронныхинструмента: гиперспектральную съемочную аппаратуру VSWIR (visible toshort wave infrared) и мультиспектральную инфракрасную камеру TIR (thermalinfrared) [62-65]. Аппаратура VSWIR имеет следующие тактико-техническиехарактеристики:37Таблица 8.Тактико-технические характеристики HyspIRI VSWIRНаименованиеРабочий спектральный диапазон, нмЗначение380 – 2500Количество спектральных каналов212Спектральное разрешение, нм10Высота орбиты, км626Полоса захвата, км145Пространственное разрешение, м60Разрядность представления информации, бит/пиксель14Масса, кг66Проектирование HyspIRI началось в 2008 году. Концепция аппаратурырезко поменялась в 2014 году.
Рассмотрим сначала аппаратуру VSWIR, какойона была до 2014 года (Рисунок 1.14).Рисунок 1.14. Гиперспектральная аппаратура VSWIR HyspIRI38Оптическая система во многом основывалась на опыте разработки ГСА М3с использованием самых передовыхтехнологий(Рисунок 1.15) [64].Используется полностью зеркальная оптика. Спектрометр по схеме Оффнера сотражательнойдифракционнойрешеткойнавыпуклойповерхностиспеременным углом блеска и специальной формы штрихами для работы вполном спектральном диапазоне от 380 до 2500 нм.
Входная щель идифракционнаярешеткаизготавливаютсяметодомэлектронно-лучевойлитографии с неравномерностью не более 0,05 мкм.а)б)Рисунок1.15.Технологии,в)применяемыевспектрометреHyspIRI:а) дифракционная решетка с переменным углом блеска на выпуклойповерхности; б) входная щель; в) приемник Teledyne 6604bВ фокальной плоскости установлен приемник Teledyne 6604b формата1280×480 с размером пикселя 30 мкм (Рисунок 1.15,в).
Длина входной щелиспектрометра 38,4 мм увеличена более чем вдвое по сравнению с М3.39В 2014 году от этой концепции полностью отказались. Была рассчитанановая оптическая система спектрометра, взявшая за основу схему Дайсона(Рисунок 1.16) [66, 67]:Рисунок 1.16. Оптическая система спектрометра VSWIR HyspIRI на основесхемы ДайсонаСпектрометр состоит из вогнутой отражательной дифракционной решеткив качестве диспергирующего элемента и линзового дублета – мениска изплавленого кварца и плоско-выпуклой линзы из CaF2. Входная щель иплоскость изображения находятся вблизи плоской поверхности линзы.Обеспечивается телецентрический ход лучей в пространстве изображений.Таблица 9.Тактико-технические характеристики VSWIR-DysonНаименованиеРабочий спектральный диапазон, нмСпектральное разрешение, нмОтносительное отверстиеДлина входной щели, ммИскажения спектральных линий, % от пикселя 30 мкмГабариты, ммМасса оптики, кгЗначение380 – 25007,41:1,848менее 5125×325740Дифракционная решетка на вогнутой поверхности имеет специальнуюформу штрихов (Рисунок 1.17) с целью регулирования дифракционнойэффективности,минимизацииэнергииуменьшенияполяризационнойвнеиспользуемыхчувствительности.порядкахиДифракционнаяэффективность больше в длинноволновом диапазоне, что компенсируетпадениеяркостисолнечногоизлучения.Дифракционнаярешеткаизготавливается методом электронно-лучевой литографии.Рисунок 1.17.
Профиль дифракционной решетки и график дифракционнойэффективности решетки спектрометра VSWIR HyspIRI по схеме ДайсонаНедостатками схемы Дайсона являются [68-72]:─линзовыйдублетпрямопередплоскостьювходнойщелииизображения обратно рассеивает часть входящего излучения прямо наприемник;─входная щель и изображение спектра очень близко расположены друг кдругу и к плоской поверхности линзы;─необходимо подавлять отражение света от поверхности приемника,иначе он возвращается на дифракционную решетку, а затем снова попадает наприемник и создает паразитную засветку;41─также паразитная засветка возникает при переотражении изображенийразных порядков от поверхностей линз и входной щели;─схема чувствительна к разъюстировке и изменению температуры из-задвойного хода лучей в линзовом дублете.Насколько были исследованы и устранены все эти недостатки поканеизвестно. Необходимы новые технологии: электронную обвязку и системуохлаждения матрицы нужно уменьшать и выносить в сторону, также требуютсявысокоэффективные антибликовые и фильтрующие покрытия, работающие вшироком спектральном диапазоне.1.2.6.
Космические гиперспектральная аппаратура других странКроме рассмотренных ГСА на орбите на данный момент находитсядействующая гиперспектральная аппаратура: Hyperion (США) [73], ARTEMIS(США) [74], CHRIS (Великобритания) [75, 76], HySI (Индия) [77, 78], HJ-1A(Китай) [79] и другие. Также запланированы космические гиперспектральныепрограммы [78]: HISUI (Япония), HYPXIM (Франция), FLEX (Европа), ГСА дляспутника KOMPSAT-6 (Корея), SHALOM (Италия/Израиль).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
