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

2ОГЛАВЛЕНИЕСтр.ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ6ВВЕДЕНИЕ7ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОЙ И ПЕРСПЕКТИВНОЙКОСМИЧЕСКОЙ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ141.1.Современная космическая гиперспектральная аппаратура141.2.Обзор современной и перспективнойгиперспектральной аппаратуры221.2.1. Гиперспектральная аппаратура ГСА-РП длякосмического аппарата Ресурс-П231.2.2. PRISMA – итальянская гиперспектральная программа271.2.3. EnMAP – германская гиперспектральная программа291.2.4. Гиперспектральная аппаратура M3 NASA331.2.5.

HyspIRI – перспективная гиперспектральнаяаппаратура NASA361.2.6. Космическая гиперспектральная аппаратура других стран41Выводы по главе 141ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗЕРКАЛЬНОГОАВТОКОЛЛИМАЦИОННОГО СПЕКТРОМЕТРА2.1.Научное обоснование оптической схемы зеркальногоавтоколлимационного спектрометра2.2.43Анализ основных характеристик оптических системдля гиперспектральной аппаратуры2.3.4345Исследование и разработка методики расчета призменныхдиспергирующих устройств523Стр.2.3.1.

Методика расчета диспергирующего устройствана основе одной призмы с зеркальным покрытием,нанесенным на последнюю грань532.3.2. Анализ диспергирующего устройствана основе двух призм с зеркальным покрытием,нанесенным на последнюю грань562.3.3. Методика расчета диспергирующих устройств спроизвольным количеством призм2.4.Исследование и разработка методики расчета диспергирующегоустройства на основе дифракционной решетки2.5.5765Зеркальный объектив с эксцентрично расположеннымполем изображения2.5.1. Аберрационный расчет зеркального объектива спектрометра69692.5.2.

Вывод габаритных соотношений трехзеркального объективас эксцентрично расположенным полем изображения2.6.80Проектирование оптических систем на основе схемызеркального автоколлимационного спектрометраВыводы по главе 28586ГЛАВА 3. МЕТОДИКИ ЮСТИРОВКИ И КОНТРОЛЯГИПЕРСПЕКТРАЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ НА ОСНОВЕЗЕРКАЛЬНОГО АВТОКОЛЛИМАЦИОННОГОСПЕКТРОМЕТРА883.1.Методическое обеспечение сборки и юстировки883.2.Разработка методики сборки и юстировкиобъектива спектрометра3.3.92Схема контроля качества зеркального объектива с эксцентричнорасположенным полем изображения974Стр.3.4.Методики юстировки и контроля спектрометраВыводы по главе 3104111ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА БОРТОВЫХ УСТРОЙСТВРАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКИ И КОНТРОЛЯУГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ОСИГИПЕРСПЕКТРАЛЬНОЙ АППАРАТУРЫВ ПРОЦЕССЕ СЪЕМКИ4.1.Бортовая радиометрическая калибровкагиперспектральной аппаратуры ДЗЗ4.2.112112Фотограмметрические задачигиперспектральной аппаратуры ДЗЗ1224.2.1.

Устройство контроля углового положения оптической осигиперспектральной аппаратуры в процессе съемки1254.2.2. Методика расчета углового положенияоптической оси гиперспектральной аппаратурыв процессе съемки1284.2.3. Методика калибровки устройства контроля угловогоположения оптической оси гиперспектральнойаппаратуры в процессе съемкиВыводы по главе 4133138ГЛАВА 5.

РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМДЛЯ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ5.1.Зеркальный объектив с эксцентрично расположеннымполем изображения5.2.139139Спектрометр с одной призмой с зеркальным покрытием,нанесенным на последнюю грань1435Стр.5.3.Спектрометр с двумя склеенными призмами с зеркальнымпокрытием, нанесенным на последнюю грань1465.4.Спектрометр с дифракционной решеткой1475.5.Спектрометр с дифракционной решеткой и тремяасферическими поверхностями второго порядка1505.6.Спектрометр с разложением спектра в сагиттальном сечении1515.7.Гиперспектральная аппаратура на основеполученных оптических системВыводы по главе 5152155ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ156СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1586ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙДЗЗ– дистанционное зондирование ЗемлиГСА– гиперспектральная съемочная аппаратураМКА– малый космический аппаратОС– оптическая системаГКД– гиперкуб данныхУД– диспергирующее устройствоПИ– приемник изображенияПЗС– прибор с зарядовой связьюФПУ– фотоприемное устройствоМПФ– модуляционная передаточная функцияФРТ– функция рассеяния точкиСК– система координатАП– асферическая поверхностьГК– голографический компенсаторУК– устройство калибровкиГХ– градуировочная характеристикаШДВ– шкала длин волнЛН– лампа накаливанияАЧТ– абсолютно черное телоИСК– инерциальная система координатПСК– приборная система координатЗД– звездный датчик угловой ориентации7ВВЕДЕНИЕИсследованияЗемлиспомощьюоптико-электроннойаппаратуры,устанавливаемой в качестве полезной нагрузки на авиационных и космическихносителях, имеют многолетнюю историю и в литературе получили устоявшеесяназвание дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) [1, 2].

На сегодняшний деньминистерства и ведомства России (такие как Росгидромет, Роскосмос,Минприроды, Минсельхоз, МЧС и др.), запрашивают значительные объемыкосмической информации. Недостаточное количество российских космическихаппаратов (КА), способных предоставлять такого рода информацию, привело ктому, что большой объем необходимой продукции министерства и ведомствастали закупать с зарубежных КА, что достаточно дорого и могло привести кзависимостиотзарубежныхисточниковкосмическойинформации.Впоследние годы в нашей стране и за рубежом в практику дистанционногозондирования Земли активно внедряются технологии гиперспектральнойсъемки. В рамках стратегии развития российских средств ДЗЗ до 2020 годазапланировано создание и ввод в действие ряда космических аппаратов,оснащенных гиперспектральной аппаратурой [3].Гиперспектральная аппаратура (ГСА) является эволюционным развитиеммногоспектральных систем, как правило регистрирующих изображение в 3-10спектральных каналах, в сторону повышения спектрального разрешения иувеличения количества каналов до десятков и сотен.

Преимуществомгиперспектральной съемки над остальными видами съемок из космоса являетсяформирование двумерного пространственного изображения одной и той жесцены одновременно во множестве узких спектральных каналов, что даетвозможностьспектральногонарядусанализавидовойинформациейснимаемыхобъектов,получатьданныесущественнодляповышаяинформативность получаемых данных ДЗЗ при решении многочисленных8тематических задач на основе комплексного анализа пространственной испектральной информации, тем более, что излучение, регистрируемое вразличныхспектральныхдиапазонах,содержитвзаимодополняющуюинформацию. Извлечение наиболее полной и достоверной информации обизучаемых объектах на гиперспектральных изображениях требует высокойточности и стабильности радиометрических и координатно-измерительныххарактеристик аппаратуры в течение всего срока эксплуатации. Для этого всоставе комплекса гиперспектральной аппаратуры на этапе проектированиядолжны быть разработаны бортовые системы, обеспечивающие получение иобновлениевысокоточныхизмерительныхданных,необходимыхдляпроведения радиометрической и геометрической коррекции, координатнойпривязки, а также тематической обработки гиперспектральных снимков.ГиперспектральнаясъемкаЗемлиипоследующийанализгиперспектральных изображений позволяют рассматривать на поверхностиЗемли различные объекты, определять их размер, форму, координаты, а такжеполучать данные для различного рода спектрального анализа [4, 5].

Это даетвозможностьэффективноидентифицироватьнаблюдаемыеобъекты,обнаруживать загрязнения окружающей среды, утечки газа и нефти изтрубопроводов, оценивать экологическое состояние акваторий, осуществлятьконтроль роста культурных растений и состояния лесных массивов, проводитьразведку и инвентаризацию природных ресурсов, анализ техногенных явленийи решать другие задачи [1-12]. В последнее время гиперспектральнаяаппаратура находит все большее применение в других областях помимо ДЗЗ,например, в медицине для неинвазивной диагностики болезней и лабораторныхисследований [13-16].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 при9разработке 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.