Автореферат (Оптические системы малогабаритной гиперспектральной аппаратуры дистанционного зондирования Земли из космоса)

Работа выполнена в Московском государственном техническом университетеимени Н.Э. Баумана на кафедре лазерных и оптико-электронных систем.Научный руководитель:Заварзин Валерий Ивановичдоктор технических наук, доцентОфициальные оппоненты:Бажанов Юрий Вадимовичдоктор технических наук, профессорАО «Научно-производственная корпорация«Системы прецизионного приборостроения»,г. МоскваМачихин Александр Сергеевичкандидат физико-математических наукФедеральное государственное бюджетноеучреждение науки Научно-технологическийцентр уникального приборостроенияРоссийской академии наук, г. МоскваВедущая организация:АО «Лыткаринский завод оптического стекла»,г.

Лыткарино, Московская обл.Защита диссертации состоится «27» сентября 2017 года в 12:00 часов назаседаниидиссертационногосоветаД 212.141.19вМосковскомгосударственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу:105005, г. Москва, 2-ая Бауманская ул., д. 5.С диссертацией можно ознакомитьсяН.Э.

Баумана и на сайте www.bmstu.ru.вбиблиотекеМГТУим.Отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просимнаправить по адресу: 105005, г. Москва, 2-ая Бауманская ул., д. 5, стр. 1, МГТУим. Н.Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.141.19.Автореферат разослан «____»_____________ 20Ученый секретарьдиссертационного совета,к. ф.-м. н.г.Семеренко Д.А.1. Общая характеристика работыАктуальность работы. Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ)является одним из приоритетных направлений космической деятельности вРоссийской Федерации.

На сегодняшний день министерства и ведомстваРоссии (такие как Росгидромет, Минприроды, Минсельхоз, МЧС и др.)запрашивают значительные объемы космической информации ДЗЗ. Впоследние годы в нашей стране и за рубежом в практику ДЗЗ активновнедряютсятехнологиигиперспектральнойсъемки.Отличиемгиперспектральнойсъемкиявляетсяформированиедвумерногопространственного изображения одной и той же сцены сразу в несколькихсотнях узких спектральных каналов, что позволяет наблюдать на поверхностиЗемли различные объекты, определять их размер, форму, координаты, а такжеполучать данные для спектрального анализа. Это дает возможность эффективноидентифицировать наблюдаемые объекты, обнаруживать загрязненияокружающей среды, утечки газа и нефти из трубопроводов, оцениватьэкологическое состояние акваторий, осуществлять контроль роста культурныхрастений и состояния лесных массивов, проводить разведку и инвентаризациюприродных ресурсов, анализ техногенных явлений и решать другие задачи.Работы по созданию космических гиперспектральных систем ДЗЗ активноведут Красногорский завод им.

С.А. Зверева, РКЦ «Прогресс», НПО им. С.А.Лавочкина, ФГУП ЦНИИмаш, ГОИ им. С.И. Вавилова, ЛОМО, НПО «Лептон»и другие предприятия космической промышленности. Приоритетом приразработке новой космической гиперспектральной аппаратуры (ГСА) являетсяуменьшение массы и габаритов для установки на малые космические аппараты(МКА) грузоподъемностью до 500 кг, действующие на высотах 300-800 км. Дляповышения эффективности извлечения полезной информации при обработке ианализе изображений, ГСА обычно устанавливается на борт совместно сразличной другой научной аппаратурой. В результате интенсивного процессаминиатюризации современной ГСА разработаны новые оптические системы(ОС) со сложной в реализации конструкцией и нетрадиционными оптическимиэлементами.

Основная проблема при создании аппаратуры на основе этих ОСсостоит в сложности изготовления нетрадиционных оптических элементов, атакже отсутствии проработанных методик юстировки.Значительный вклад в теорию и развитие ОС спектральных прибороввнесли Фриш С.Э., Зайдель А.Н., Нагибина И.М., Тарасов К.И., ПейсахсонИ.В., Скоков И.В., Бажанов Ю.В. и другие ученые. Однако в работахперечисленных авторов пристальное внимание уделяется, в основном,изучению спектральных характеристик приборов и систем. ГСА отличаетсятем, что объединяет в себе функции и особенности изображающих испектральных систем. Основная проблема расчета ОС, препятствующаярасширению технических характеристик ГСА, заключается в резкомувеличении дисторсии, которую вносит диспергирующее устройство.В этой связи, диссертационная работа, посвященная разработкеоптических систем малогабаритной гиперспектральной аппаратуры ДЗЗ изкосмоса, является весьма актуальной.1Цель диссертационной работы заключается в разработке и исследованииновых оптических систем и методик их проектирования для малогабаритнойгиперспектральной аппаратуры дистанционного зондирования Земли изкосмоса.Для достижения поставленной цели сформулированы и решеныследующие задачи:1.

Предложена и исследована новая оптическая схема зеркальногоавтоколлимационного спектрометра для малогабаритной гиперспектральнойаппаратуры дистанционного зондирования Земли из космоса.2. Разработаны и апробированы методики расчета оптических системзеркального автоколлимационного спектрометра и зеркального объектива сэксцентрично расположенным полем изображения и оптимальным выборомасферических поверхностей, формирующих высококачественные изображения.3. Разработана методика юстировки и контроля оптической системыгиперспектральной аппаратуры на основе зеркального объектива сэксцентричнорасположеннымполемизображенияизеркальногоавтоколлимационного спектрометра.4. Предложены способы контроля радиометрических характеристикгиперспектральной аппаратуры в процессе эксплуатации и контроля угловогоположения ее оптической оси в процессе съемки.Научная новизна работы заключается в следующем:1. Обоснована схема зеркального автоколлимационного спектрометра наоснове зеркального объектива с эксцентрично расположенным полемизображения, обеспечивающая малые габариты и отсутствие хроматическихаберраций при возможности использования разных типов диспергирующихустройств.2.

Аналитически показана возможность исправления дисторсии идостижения качества изображения близкого к дифракционному пределу воптических системах зеркального автоколлимационного спектрометра.Практическая ценность работы заключается в следующем:1. Разработаныоптическиесистемы,методикирасчетаихконструктивных параметров, юстировки и контроля, которые могут найтиприменениеприпроектированиикосмическоймалогабаритнойгиперспектральной аппаратуры дистанционного зондирования Земли ииспользуются на ПАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева».2. Предложена схема контроля зеркального объектива с эксцентричнорасположенным полем изображения с помощью коллиматора и двух плоскихповоротных зеркал, позволяющая направлять пучок коллимированных лучей сзаданными угловыми координатами в объектив без его разворота вокруг центравходного зрачка в пределах всего углового поля, которая может бытьиспользована на предприятиях оптического приборостроения с цельюупрощения и удешевления производства объективов такого типа.3.

Предложены способы контроля радиометрических характеристиккосмической гиперспектральной аппаратуры на основе разработанныхоптических систем, которые могут быть использованы для ее периодической2проверки и калибровки в процессе эксплуатации на орбите операторомроссийских космических средств ДЗЗ АО «Российские космические системы».4. Разработана методика контроля углового положения оптической осигиперспектральной аппаратуры в процессе съемки для решенияфотограмметрических задач при обработке изображений и методикакалибровки, позволяющая минимизировать систематические погрешности,возникающие в процессе эксплуатации.Достоверность выводов диссертационной работы подтверждаетсярезультатами экспериментов и результатами, полученными при моделированиив программных комплексах «Zemax» и «Matlab».Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работывнедрены на ПАО «Красногорский завод им.

С.А. Зверева» в производственныхпроцессах создания гиперспектральной аппаратуры ГСА-РП и аппаратурыШМАСР, а также использованы в СЧ ОКР «Прибор-ШМАСР», СЧ НИР«Партитура – «КМЗ-Гипер», СЧ ОКР «Бисер», что подтверждаетсясоответствующими актами о внедрении.На защиту выносятся следующие положения:1. Разработанная методика расчета конструктивных параметров позволяетрассчитывать зеркальные оптические системы с габаритными размерами менее1 м, массой менее 50 кг, угловым полем не менее 3 градусов и спектральнымразрешением не хуже 10 нм в диапазоне от 900 до 2500 нм, для малогабаритнойгиперспектральной аппаратуры дистанционного зондирования Земли изкосмоса.2.

Разработанные способы интерферометрического контроля взаимногоположения зеркал объектива и контроля позиционирования приемника идиспергирующего устройства спектрометра, обеспечивают юстировкуоптической системы гиперспектральной аппаратуры на основе зеркальногоавтоколлимационного спектрометра и зеркального объектива с эксцентричнорасположенным полем изображения.Апробация работы и публикация результатов. Полученные вдиссертации результаты докладывались на 9-й, 10-й и 11-й Всероссийскихнаучно-технических конференциях «Системы наблюдения, мониторинга идистанционного зондирования Земли» (Геленджик, 2012, 2013; Сочи, 2014), нанаучно-технической конференции «Гиперспектральные приборы и технологии»(Красногорск, 2013). Основные результаты диссертации опубликованы в 5статьях, в журналах, входящих в Перечень ВАК РФ, общим объемом 4,29 п.л.Получено три патента РФ и патент Республики Беларусь на изобретения.Структура и объем диссертации.