Диссертация (1025532), страница 6

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

Текст из файла (страница 6)

Индия и Китайпланируют обновить свои программы в ближайшие 5 лет [78-81].Во всех перечисленных ГСА анонсированные характеристики не лучше,чем у представленных в обзоре. В качестве входных объективов в аппаратуреиспользуются зеркальные объективы с эксцентрично расположенным полемизображения, объективы по схеме Ричи-Кретьена, редко, объективы по схемеКорша и линзовые [80]. Для оптической системы спектрометров в большинствеслучаев используется схема Оффнера [83, 84].Выводы по главе 11.Проведенный обзор и анализ современной и перспективнойотечественной и зарубежной космической гиперспектральной аппаратуры ДЗЗпоказал,чтоактуальныммногофункциональнойиприоритетныммалогабаритнойГСАявляетсяДЗЗ,созданиеобеспечивающей42возможность гиперспектральной съемки с высоким качеством изображения вшироком спектральном диапазоне с числом спектральных каналов донесколькихсотен.Особоезначениевтакихсистемахприобретаетминиатюризация, а также возможность поддержания высоких измерительныххарактеристик аппаратуры в течение всего срока эксплуатации.2.Во многих странах предпринимаются усилия по созданию новойГСА ДЗЗ с повышенными характеристиками – разрешающей способностью,спектральным разрешением, расширенным спектральным диапазоном, а такжеснижению габаритов и массы для установки на МКА.

Были разработаныпринципиальноновыесхемныеитехническиерешения,технологииизготовления и контроля которых еще не созданы. Отсутствие технологий ипроработанных методик юстировки тормозит создание новой аппаратуры,приводит задержкам запуска аппаратуры в космос, а иногда и к полнойневозможности продолжения работ.3.В настоящее время все большее применение находят зеркальные изеркально-линзовые оптические схемы спектрометров, они отличаются малымигабаритами, малыми хроматическими аберрациями, широкими возможностямидля коррекции качества изображения. Некоторые из них, например схемаОффнера, хорошо изучены и применяются чаще всего, однако большинствозеркальных и зеркально-линзовых схем изучены мало и в единичных случаяхприменяются при проектировании гиперспектральной аппаратуры.4.Цельюпоследующихисследованийявляетсяразработкамалогабаритной гиперспектральной аппаратуры с высокими техническими иэксплуатационнымихарактеристикаминаосноветехнологических решений при изготовлении и контроле.традиционных43ГЛАВА 2.ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗЕРКАЛЬНОГО АВТОКОЛЛИМАЦИОННОГОСПЕКТРОМЕТРАПроектирование ГСА – многоступенчатый итерационный процесс.

Наоснове технического задания к аппаратуре, определяются требования ксоставным частям, затем, после разработки основных схемотехнических иконструктивных решений аппаратуры, необходимо произвести оценку ихвлияниянаформируемоеизображение.Вбольшинствесовременнойгиперспектральной съемочной аппаратуры оптические системы входныхобъективов построены по схемам Ричи-Кретьена или зеркальным схемам сэксцентрично расположенным полем изображения.

В целом, задача расчетавходного объектива состоит в том, что при заданном линейном поле ифокусномрасстоянии,обеспечить требуемоекачествоизображенияисветосилу. Безусловно, разработка новых схем компактных технологичныхвходных объективов с высоким качеством изображения представляет собойинтересную тему. Однако более важной частью ГСА является спектрометр,именно его параметры определяют основные характеристики всей аппаратуры.2.1.Научноеобоснованиеоптическойсхемызеркальногоавтоколлимационного спектрометраАнализ современной и перспективной гиперспектральной аппаратурыпоказал, что актуальным и перспективным является развитие зеркальных изеркально-линзовых оптических систем.

Особый интерес с точки зренияобеспечениякомпактностиавтоколлимационныеизеркальныекоррекциисистемыаберрацийнаосновепредставляюттрехзеркальногообъектива с эксцентрично расположенным полем изображения (Рисунок 2.1)[85, 86].44Рисунок2.1.ОптическаясхемазеркальногоавтоколлимационногоспектрометраИзлучение от входной щели попадает в трехзеркальный объектив сэксцентрично расположенным полем изображения, который формируетпараллельныйпучоклучей.Навыходеобъективарасположенодиспергирующее устройство, пучок лучей на УД раскладывается в спектр,отражается от зеркальной поверхности и возвращается обратно в объектив,которыйпроецируетвфокальнойплоскостиразложенноевспектризображение.

Апертурная диафрагма расположена на отражающей поверхностидиспергирующегоустройства.Вдиспергирующемустройствеможетиспользоваться призменная система с отдельным зеркалом или зеркальнойпоследней гранью, либо отражательная дифракционная решетка.В литературе известно использование трехзеркальных объективов сэксцентрично расположенным полем изображения в оптических системахспектрометров.

В частности в работе [85] описаны характеристики такихспектрометров. Однако отсутствие методик рационального выбора параметровзеркал объектива и коррекции аберраций в целом не позволило авторам работыдостичьвысокихпространственныхиспектральныххарактеристик.Представленные в [85] спектрометры вносят очень высокие пространственные45искажения в изображение – стрелка прогиба спектральных линий 1,39 мм, чтоабсолютно неприемлемо для гиперспектральной съемки при использованииматричных приемников. Кроме того входная щель и плоскость изображениянаходятся почти вплотную друг к другу. Всё это несмотря на то, что на всехтрех зеркалах объектива используется полиномиальная асферика, а такжедецентрировка и угловые смещения. Из-за перечисленных недостатков схемазеркального автоколлимационного спектрометра в настоящее время неиспользуется для создания ГСА.Тем не менее, оптическая схема зеркального автоколлимационногоспектрометра представляет интерес для исследования своими преимуществами:компактностью, возможностью использования традиционных диспергирующихустройств различных конфигураций, малым значением или отсутствиемвиньетирования, высокой светосилой, обеспечением телецентрического ходалучей в плоскости изображения.Цель этой работы заключается в разработке универсальных аналитическихметодик проектирования, которые позволят производить расчёты оптическихсистем на основе схемы зеркального автоколлимационного спектрометра, свысоким качеством изображения по всему рабочему диапазону длин волн.Кроме того, одной из задач работы будет повышение технологичности схемы –отказ от использования асферических поверхностей высоких порядков идецентрировкиэлементов.Этопозволитсоздаватьболеепростыевизготовлении, сборке и юстировке спектрометры.2.2.Анализосновныххарактеристикоптическихсистемдлягиперспектральной аппаратурыЗадачарасчетаконструктивныхоптическихпараметров,системзаключаетсяудовлетворяющихвопределениинеобходимымоптико-техническим характеристикам.

Основными выходными характеристиками ОСгиперспектральной аппаратуры являются─светоэнергетические характеристики;46─пространственные характеристики;─спектральные характеристики.Величинаоптическогоотносительногоотверстияопределяетсветоэнергетические характеристики оптической системы и зависит от уровняспектральной плотности энергетической яркости подстилающей поверхности,спектрального пропускания оптической системы аппаратуры, спектральногоразрешения, спектральной чувствительности и времени интегрированияприемника.Относительноеотверстиеспектрометрадолжнобытьлучшеотносительного отверстия входного объектива и определяет светосилу всейсистемы.

Предварительно его можно оценить исходя из требований по качествудифракционной точки в изображении на приемнике.Функциярассеянияточкидифракционно-ограниченнойоптическойсистемы представляет собой яркий центральный диск Эйри, окруженныйконцентрическими кольцами уменьшающейся яркости. Диаметр диска Эйризадаётся следующим выражением:d2,44 f .DДля обеспечения требований по четкости изображения, необходимо, чтобыдиск Эйри с запасом вписывался в размер пикселя приемника d  0,5...0,7 для максимальной длины волны спектрального диапазона. Отсюда получимтакую оценку значения относительного отверстия:D 2,44max.fd(2.1)Например, для ГСА, работающей в диапазоне длин волн до 2,5 мкм иприемником с размером пикселя 30 мкм минимальное значение относительногоотверстия будетD 1 : 3,5 .f47Если на поверхности приемника, установленного после оптическойсистемы, создана энергетическая освещенность Ee ( ) , то уровень сигнала сприемника определяется формулой [87]:i  S ( ) Ee ( )Qпр ,где S ( ) – абсолютная спектральная чувствительность приемника, Qпр –площадь светочувствительной поверхности приемника, для ГСА на однойдлине волны Qпр определяется площадью одного пикселя.Характеристики оптической системы должны быть рассчитаны из условия,при котором реакция приемника на входной поток излучения была бы неменьше некоторой величины imin  k n in , гдепорогу чувствительности, k nin – сигнал, соответствующий– коэффициент учитывающий превышениеполезного сигнала над пороговым.Тогда необходимое значение энергетической освещенности, создаваемойоптической системой определяют по формуле:Ee ( ) imin.S ( )  QпрОсвещенность на приемнике вычисляется по формуле:Ee  a ос Le sin 2  A ,где τа – коэффициент светопропускания атмосферы, τос – коэффициентсветопропускания оптической системы, Lе – энергетическая яркость, σ’A’ –апертурный угол в пространстве изображений.Откуда найдем выражение для апертурного угла в пространствеизображений:sin  A imin a ( ) ос ( )  Le ( ) S ( ) Qпр .(2.2)48Еслиисточникизлучениярасположенвбесконечности,тоsin  A  D /( 2 f ) , подставив в (2.2) находим относительное отверстиеоптической системы:iminD2f a ( ) ос ( )  Le ( ) S ( ) Qпр .(2.3)Для космических ГСА обычно просто стремятся получить наилучшеезначение относительного отверстия, которое возможно.

Это дает возможностьпроизводить съемку при условиях с меньшей освещенностью, то естьрасширяет характеристики аппаратуры.Изображение, получаемое с помощью оптического прибора не являетсяабсолютной копией изображения сцены съемки. В общем случае выходнойсигнал с прибора можно представить сверткой входного сигнала I0(x,y) ифункции рассеяния [88]I ( w, r )   I 0 ( x, y)  A( w  x, r  y)  dxdy ,Wгде A(w-x,r-y) – смещенный на величины w и r отклик прибора,W – диапазон координат, в котором отклик прибора являетсясущественным.Особенностью работы гиперспектральной аппаратуры является разделениеобщей функции рассеяния на продольнуюсоставляющие.ПоперечнаяА ( x) составляющая||и поперечнуюспектрального А ( y)приборахарактеризует распределение интенсивности изображения при освещенииприбора «идеально» монохроматическим источником излучения и носитназвание аппаратной функции [25].

Характеристики

Список файлов диссертации