Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и анализ современной и перспективной космической гиперспектральной аппаратуры 14
1.1. Современная космическая гиперспектральная аппаратура 14
1.2. Обзор современной и перспективной гиперспектральной аппаратуры 22
1.2.1. Гиперспектральная аппаратура ГСА-РП для космического аппарата Ресурс-П 23
1.2.2. PRISMA – итальянская гиперспектральная программа 27
1.2.3. EnMAP – германская гиперспектральная программа 29
1.2.4. Гиперспектральная аппаратура M3 NASA 33
1.2.5. HyspIRI – перспективная гиперспектральная аппаратура NASA 36
1.2.6. Космическая гиперспектральная аппаратура других стран 41
Выводы по главе 1 41
ГЛАВА 2. Проектирование зеркального автоколлимационного спектрометра 43
2.1. Научное обоснование оптической схемы зеркального автоколлимационного спектрометра 43
2.2. Анализ основных характеристик оптических систем для гиперспектральной аппаратуры 45
2.3. Исследование и разработка методики расчета призменных диспергирующих устройств 52 Стр.
2.3.1. Методика расчета диспергирующего устройства на основе одной призмы с зеркальным покрытием, нанесенным на последнюю грань 53
2.3.2. Анализ диспергирующего устройства на основе двух призм с зеркальным покрытием, нанесенным на последнюю грань 56
2.3.3. Методика расчета диспергирующих устройств с произвольным количеством призм 57
2.4. Исследование и разработка методики расчета диспергирующего устройства на основе дифракционной решетки 65
2.5. Зеркальный объектив с эксцентрично расположенным полем изображения 69
2.5.1. Аберрационный расчет зеркального объектива спектрометра 69
2.5.2. Вывод габаритных соотношений трехзеркального объектива с эксцентрично расположенным полем изображения 80
2.6. Проектирование оптических систем на основе схемы зеркального автоколлимационного спектрометра 85
Выводы по главе 2 86
ГЛАВА 3. Методики юстировки и контроля гиперспектральной аппаратуры на основе зеркального автоколлимационного спектрометра 88
3.1. Методическое обеспечение сборки и юстировки 88
3.2. Разработка методики сборки и юстировки объектива спектрометра 92
3.3. Схема контроля качества зеркального объектива с эксцентрично расположенным полем изображения 97 Стр.
3.4. Методики юстировки и контроля спектрометра 104
Выводы по главе 3 111
ГЛАВА 4. Разработка бортовых устройств радиометрической калибровки и контроля углового положения оптической оси гиперспектральной аппаратуры в процессе съемки 112
4.1. Бортовая радиометрическая калибровка гиперспектральной аппаратуры ДЗЗ 112
4.2. Фотограмметрические задачи гиперспектральной аппаратуры ДЗЗ 122
4.2.1. Устройство контроля углового положения оптической оси гиперспектральной аппаратуры в процессе съемки 125
4.2.2. Методика расчета углового положения оптической оси гиперспектральной аппаратуры
в процессе съемки 128
4.2.3. Методика калибровки устройства контроля углового положения оптической оси гиперспектральной аппаратуры в процессе съемки 133
Выводы по главе 4 138
ГЛАВА 5. Расчет и моделирование оптических систем для гиперспектральной аппаратуры 139
5.1. Зеркальный объектив с эксцентрично расположенным полем изображения 139
5.2. Спектрометр с одной призмой с зеркальным покрытием, нанесенным на последнюю грань 143 Стр.
5.3. Спектрометр с двумя склеенными призмами с зеркальным покрытием, нанесенным на последнюю грань 146
5.4. Спектрометр с дифракционной решеткой 147
5.5. Спектрометр с дифракционной решеткой и тремя асферическими поверхностями второго порядка 150
5.6. Спектрометр с разложением спектра в сагиттальном сечении 151
5.7. Гиперспектральная аппаратура на основе полученных оптических систем 152
Выводы по главе 5 155
Основные результаты работы 156
Список литературы
- PRISMA – итальянская гиперспектральная программа
- Исследование и разработка методики расчета призменных диспергирующих устройств
- Разработка методики сборки и юстировки объектива спектрометра
- Спектрометр с двумя склеенными призмами с зеркальным покрытием, нанесенным на последнюю грань
Введение к работе
Актуальность работы. Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) является одним из приоритетных направлений космической деятельности в Российской Федерации. На сегодняшний день министерства и ведомства России (такие как Росгидромет, Минприроды, Минсельхоз, МЧС и др.) запрашивают значительные объемы космической информации ДЗЗ. В последние годы в нашей стране и за рубежом в практику ДЗЗ активно внедряются технологии гиперспектральной съемки. Отличием гиперспектральной съемки является формирование двумерного пространственного изображения одной и той же сцены сразу в нескольких сотнях узких спектральных каналов, что позволяет наблюдать на поверхности Земли различные объекты, определять их размер, форму, координаты, а также получать данные для спектрального анализа. Это дает возможность эффективно идентифицировать наблюдаемые объекты, обнаруживать загрязнения окружающей среды, утечки газа и нефти из трубопроводов, оценивать экологическое состояние акваторий, осуществлять контроль роста культурных растений и состояния лесных массивов, проводить разведку и инвентаризацию природных ресурсов, анализ техногенных явлений и решать другие задачи.
Работы по созданию космических гиперспектральных систем ДЗЗ активно ведут 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 при разработке новой космической гиперспектральной аппаратуры (ГСА) является уменьшение массы и габаритов для установки на малые космические аппараты (МКА) грузоподъемностью до 500 кг, действующие на высотах 300-800 км. Для повышения эффективности извлечения полезной информации при обработке и анализе изображений, ГСА обычно устанавливается на борт совместно с различной другой научной аппаратурой. В результате интенсивного процесса миниатюризации современной ГСА разработаны новые оптические системы (ОС) со сложной в реализации конструкцией и нетрадиционными оптическими элементами. Основная проблема при создании аппаратуры на основе этих ОС состоит в сложности изготовления нетрадиционных оптических элементов, а также отсутствии проработанных методик юстировки.
Значительный вклад в теорию и развитие ОС спектральных приборов внесли Фриш С.Э., Зайдель А.Н., Нагибина И.М., Тарасов К.И., Пейсахсон И.В., Скоков И.В., Бажанов Ю.В. и другие ученые. Однако в работах перечисленных авторов пристальное внимание уделяется, в основном, изучению спектральных характеристик приборов и систем. ГСА отличается тем, что объединяет в себе функции и особенности изображающих и спектральных систем. Основная проблема расчета ОС, препятствующая расширению технических характеристик ГСА, заключается в резком увеличении дисторсии, которую вносит диспергирующее устройство.
В этой связи, диссертационная работа, посвященная разработке оптических систем малогабаритной гиперспектральной аппаратуры ДЗЗ из космоса, является весьма актуальной.
Цель диссертационной работы заключается в разработке и исследовании новых оптических систем и методик их проектирования для малогабаритной гиперспектральной аппаратуры дистанционного зондирования Земли из космоса.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
-
Предложена и исследована новая оптическая схема зеркального автоколлимационного спектрометра для малогабаритной гиперспектральной аппаратуры дистанционного зондирования Земли из космоса.
-
Разработаны и апробированы методики расчета оптических систем зеркального автоколлимационного спектрометра и зеркального объектива с эксцентрично расположенным полем изображения и оптимальным выбором асферических поверхностей, формирующих высококачественные изображения.
-
Разработана методика юстировки и контроля оптической системы гиперспектральной аппаратуры на основе зеркального объектива с эксцентрично расположенным полем изображения и зеркального автоколлимационного спектрометра.
-
Предложены способы контроля радиометрических характеристик гиперспектральной аппаратуры в процессе эксплуатации и контроля углового положения ее оптической оси в процессе съемки.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Обоснована схема зеркального автоколлимационного спектрометра на основе зеркального объектива с эксцентрично расположенным полем изображения, обеспечивающая малые габариты и отсутствие хроматических аберраций при возможности использования разных типов диспергирующих устройств.
-
Аналитически показана возможность исправления дисторсии и достижения качества изображения близкого к дифракционному пределу в оптических системах зеркального автоколлимационного спектрометра.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Разработаны оптические системы, методики расчета их конструктивных параметров, юстировки и контроля, которые могут найти применение при проектировании космической малогабаритной гиперспектральной аппаратуры дистанционного зондирования Земли и используются на ПАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева».
-
Предложена схема контроля зеркального объектива с эксцентрично расположенным полем изображения с помощью коллиматора и двух плоских поворотных зеркал, позволяющая направлять пучок коллимированных лучей с заданными угловыми координатами в объектив без его разворота вокруг центра входного зрачка в пределах всего углового поля, которая может быть использована на предприятиях оптического приборостроения с целью упрощения и удешевления производства объективов такого типа.
-
Предложены способы контроля радиометрических характеристик космической гиперспектральной аппаратуры на основе разработанных оптических систем, которые могут быть использованы для ее периодической
проверки и калибровки в процессе эксплуатации на орбите оператором российских космических средств ДЗЗ АО «Российские космические системы».
4. Разработана методика контроля углового положения оптической оси гиперспектральной аппаратуры в процессе съемки для решения фотограмметрических задач при обработке изображений и методика калибровки, позволяющая минимизировать систематические погрешности, возникающие в процессе эксплуатации.
Достоверность выводов диссертационной работы подтверждается результатами экспериментов и результатами, полученными при моделировании в программных комплексах «Zemax» и «Matlab».
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены на ПАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева» в производственных процессах создания гиперспектральной аппаратуры ГСА-РП и аппаратуры ШМАСР, а также использованы в СЧ ОКР «Прибор-ШМАСР», СЧ НИР «Партитура – «КМЗ-Гипер», СЧ ОКР «Бисер», что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Разработанная методика расчета конструктивных параметров позволяет рассчитывать зеркальные оптические системы с габаритными размерами менее 1 м, массой менее 50 кг, угловым полем не менее 3 градусов и спектральным разрешением не хуже 10 нм в диапазоне от 900 до 2500 нм, для малогабаритной гиперспектральной аппаратуры дистанционного зондирования Земли из космоса.
-
Разработанные способы интерферометрического контроля взаимного положения зеркал объектива и контроля позиционирования приемника и диспергирующего устройства спектрометра, обеспечивают юстировку оптической системы гиперспектральной аппаратуры на основе зеркального автоколлимационного спектрометра и зеркального объектива с эксцентрично расположенным полем изображения.
Апробация работы и публикация результатов. Полученные в диссертации результаты докладывались на 9-й, 10-й и 11-й Всероссийских научно-технических конференциях «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли» (Геленджик, 2012, 2013; Сочи, 2014), на научно-технической конференции «Гиперспектральные приборы и технологии» (Красногорск, 2013). Основные результаты диссертации опубликованы в 5 статьях, 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. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы, содержащего 155 наименований. Диссертация изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка и 17 таблиц.
PRISMA – итальянская гиперспектральная программа
Для разложения изображения в спектр, в спектрометре присутствует диспергирующее устройство (УД). В качестве УД в спектрометрах используются призмы и дифракционные решетки или их комбинации. Искажения изображений спектральных линий происходят в основном из-за дисторсии, которую дают диспергирующие устройства. Кривизна спектральных линий существенно снижает точность радиометрических данных, вносит недостоверность в идентификацию спектральных характеристик, а также искажение геометрических форм изображения объектов. Изменение длины спектральных линий ведет к разности масштабов изображений одного и того же объекта для разных длин волн, что недопустимо при комплексировании снимков с разных каналов.
Как правило, с увеличением длины входной щели дисторсия диспергирующих устройств сильно возрастает. Поэтому последовательность расчета ОС ГСА выглядит следующим образом: выбор и расчет ОС спектрометра с максимальным размером входной щели, при удовлетворении требований к качеству изображения, спектральным и светоэнергетическим характеристикам, а также технологическим, экономическим и т.д.; выбор и расчет ОС входного объектива для данного размера входной щели и высоты полета, при удовлетворении требований к пространственному разрешению, качеству изображения, светоэнергетическим характеристикам и другим.
Первые гиперспектральные аппараты ограничивались видимым спектральным диапазоном. В настоящее время идет тенденция расширения спектрального диапазона в ближний ИК спектр, так как прозрачность атмосферы позволяет получать изображения земной поверхности и были разработаны матричные приемники на основе материала HgCdTe, имеющие высокую чувствительность в этой области [35-38]. Спектральный диапазон выбирается исходя из диапазона излучения объектов и прозрачности атмосферы. На Рисунке 1.4 представлен примерный график относительной спектральной плотности энергетической освещенности в видимом и ближнем ИК диапазоне с учетом пропускания атмосферы [1]: Рисунок 1.4. График относительной спектральной плотности энергетической освещенности с учетом пропускания атмосферы
График приблизительный, рассчитанный для модели летней атмосферы в средних широтах, характеристики атмосферы при реальной съемке могут быть совсем иными. В основном, поглощение света в атмосфере происходит парами воды и углекислым газом. Как видим, на графике имеются несколько провалов, окна поглощения молекулами воды и углекислого газа вблизи длин волн 1,4 и 1,9 мкм практически непрозрачны для излучения. Дальше 2,5 мкм также начинается окно поглощения в совокупности с падением яркости солнечного излучения. В целом, весь спектральный диапазон примерно от 0,4 до 2,5 мкм представляет интерес для гиперспектральной съемки земной поверхности с орбиты.
Существуют приборы, работающие в окнах поглощения атмосферы, а также работающие в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра. Мы не будем их рассматривать, так как первые предназначены для исследования атмосферы и к ним не предъявляется высоких требований по пространственным характеристикам, а вторые относятся к другому классу аппаратуры. Гиперспектральная аппаратура, устанавливаемая на космических аппаратах, выделяется среди всех остальных из-за своих отличительных особенностей: - съемка происходит с большой высоты через всю толщу атмосферы; - работа аппаратуры происходит с движущегося носителя, что исключает возможность повторной регистрации сюжета без изменения условий съёмки; - нет возможности ремонта или модификации; - срок активного существования несколько лет; - постоянное воздействие космических излучений; - высокая цена разработки и эксплуатации; - ограничения по массе, габаритам и энергии. Информация дистанционного зондирования Земли используется сегодня разными министерствами и ведомствами (такими как Росгидромет, Роскосмос, Минприроды, Минсельхоз, МЧС и др.) для решения многих хозяйственных задач, поэтому необходимо, чтобы специалисты по принятию решений (потребители информации, а также заказчики и производители космических комплексов) могли полагаться на качество информации ДЗЗ и продуктов, сформированных на её основе. Одной из важных проблем требующих решения при создании космических ГСА является обеспечение высококачественной не только видовой, но и измерительной информации в течение всего срока эксплуатации. Космическая гиперспектральная аппаратура в силу своих особенностей предъявляет повышенные требования к валидации и калибровке радиометрических и спектральных характеристик. Наряду с высоким качеством изображения необходима высокая точность и стабильность радиометрических измерительных характеристик аппаратуры, а также точная координатная привязка космических снимков. Для этого в составе космического комплекса гиперспектральной аппаратуры на этапе проектирования разрабатываются бортовые системы определения элементов внешнего ориентирования, радиометрической и спектральной калибровки.
Процедура бортовой радиометрической калибровки предназначена для контроля изменений чувствительности информационного тракта ГСА в процессе эксплуатации, а также контроля привязки шкалы длин волн. Контроль необходим для учета влияния эксплуатационных факторов (невесомость, изменение температуры и давления, механические перегрузки на этапе выведения, вибрации носителя в орбитальном полете) на взаимное положение оптической системы ГСА и приемников изображения, а также изменения чувствительности к входному сигналу (спектральной энергетической яркости), вызванного изменениями спектрального пропускания/отражения элементов оптической системы и чувствительности приемников изображения в процессе эксплуатации.
Система определения элементов внешнего ориентирования необходима для географической координатной привязки и геометрической коррекции присутствующих перспективных и масштабных искажений, сдвигов изображения, смазов, размытий и т.д. Эти искажения типичны для реальной съемки, т. к. даже небольшое изменение ориентации платформы ГСА приводит к существенным пространственным искажениям на снимке из-за большого «плеча» при съемке с большой высоты.
Таким образом, при проектировании гиперспектральной аппаратуры разработка основного изделия всегда сопровождается разработкой служебных систем бортовой радиометрической калибровки и определения элементов внешнего ориентирования.
Исследование и разработка методики расчета призменных диспергирующих устройств
Для космических ГСА обычно просто стремятся получить наилучшее значение относительного отверстия, которое возможно. Это дает возможность производить съемку при условиях с меньшей освещенностью, то есть расширяет характеристики аппаратуры.
Изображение, получаемое с помощью оптического прибора не является абсолютной копией изображения сцены съемки. В общем случае выходной сигнал с прибора можно представить сверткой входного сигнала 1о(х,у) и функции рассеяния [88] I(w,r) = I0(x,y)-A(w-x,r-y)-dxdy О W где A(w-x,r-y) - смещенный на величины w и г отклик прибора, W - диапазон координат, в котором отклик прибора является существенным.
Особенностью работы гиперспектральной аппаратуры является разделение общей функции рассеяния на продольную и поперечную составляющие. Поперечная составляющая спектрального прибора характеризует распределение интенсивности изображения при освещении прибора «идеально» монохроматическим источником излучения и носит название аппаратной функции [25]. Продольная составляющая определяет пространственные характеристики сцены съемки, ограниченной входной щелью спектрометра.
Анализируя функцию рассеяния можно реализовать несколько способов оценки качества пространственно-частотных и спектральных характеристик оптической системы, такие как модуляционная передаточная функция (МПФ), пространственное разрешение, а также спектральное разрешение [89]. Для ГСА функция рассеяния представляет собой свертку [1, 90, 91]: ЛобЩ(х, у) = PSFonm PSF PSF„U PSFCMm PSFm, где PSFonm - оптическая функция рассеяния; PSF4enu - функция учитывающая влияние щели на общую функцию рассеяния; PSFnH - функция учитывающая влияние приемника излучения; PSFCMm - функция рассеяния связанная со смещением изображения относительно щели; PSF3Jl - также функция учитывающая влияние электроники. Оптическая Функция рассеяния точки (ФРТ) определяется как пространственное энергетическое распределение освещенности в изображении точечного источника. Общей базовой моделью оптической функции рассеяния точки PSF0„m с хорошей точностью служит двумерная функция Гаусса: PSF Jpcy) = expC-x2 /a2)-QW(-y2 lb2) , где коэффициенты а и Ъ вычисляются исходя из требований к полуширине ФРТ по формулам: х где дх, ду - полуширина оптической ФРТ, определяется как ширина функции на уровне половины от её максимального значения, соответственно по осям х и у. Применяя преобразование Фурье к функции рассеяния, найдем оптическую передаточную функцию:
TFonJyx, vy ) = ехр(-;г 2a2v2x ) ехр(-;г 2a2v2y ), где vx и vy - пространственная частота. Если известны конструктивные параметры оптической схемы, ожидаемое (расчетное) значение оптической ФРТ с большой точностью может быть получено путем моделирования в программах автоматизированного расчета оптических систем.
Функция учитывающая влияние входной щели (PSFщели ) на общую функцию рассеяния описывает пространственное размытие, связанное с конечным размером входной щели гиперспектральной аппаратуры. Данная функция влияния входной щели имеет следующий вид: PSFщели(y) = rect(y/hX где h - ширина щели. Фурье-образ от данной функции будет иметь вид: TFщели(vy) = smc(7r-h-vy). Функция учитывающая влияние приемника излучения (PSFПИ) описывает пространственное размытие, связанное с ненулевыми размерами чувствительных элементов приемника. Данная функция имеет следующий вид: PSFПИ(x,y) = rect(x/ dx)-rect(y / dy), где dx - размер элемента приемника изображения поперек маршрута (вдоль строки ФПУ); dy - размер элемента приемника изображения вдоль маршрута (вдоль столбца ФПУ). Передаточная функция элемента приемника в частотной области имеет вид: TFПИ(vx,vy) = sinc(7r-dx-vx)-sinc(7r-dy-vy). Функция рассеяния связанная со смещением изображения относительно щели (PSFсмещ) учитывает размытие изображения, происходящее в том случае, если в течение времени, пока идет интегрирование сигнала для данного пикселя, изображение смещается от одного детекторного элемента к другому. Такое смещение моделируется с помощью одномерной функции рассеяния точки, имеющий вид прямоугольного импульса: PSFсме щ(y) = rect(y/s), где s - пространственное размытие изображения в фокальной плоскости, определяемое как величина сдвига изображения, выраженная в долях пикселя за время интегрирования. Выполнив преобразование Фурье от функции смещения изображения получим: TFс ме щ(vy) = sinc(7r-s-vy).
Функция учитывающая влияние электроники (PSFm). Электронный тракт аппаратуры во время накопления и переноса зарядов, оцифровки сигнала, усиления и т.д., вносит искажения, влияющие на общую функцию рассеяния. Функция, учитывающая влияние электроники рассчитывается либо измеряется в каждом конкретном случае специально.
Для расчета общую функции рассеяния необходимо определить общую передаточную функцию, применяя теорему о свертке можно получить ее, как произведение их фурье-образов всех передаточных функций основных элементов функции рассеяния: Т бщ(УХ ,Vy) = TFопт TFщели TFпи Щсмещ Щл . Как уже было изложено, продольная и поперечная составляющие функции рассеяния определяют разные характеристики аппаратуры, поэтому и вычислять их следует по отдельности: TFобщ(vx) = exp(-7T2a2v2x)-sinc(7r-dx-vx), TFобщ(vy) = exp(-7T2b2vl)-sinc(7T-h-vy)-sinc(7T-dy-vy)-sinc(7T-s-vy). Наибольший интерес для оценки качества изображения представляет амплитудная составляющая передаточной функции - модуляционная передаточная функция (МПФ). Введя обозначение MTF, получим аналогичным образом выражение:
Разработка методики сборки и юстировки объектива спектрометра
Проектирование новой сложной оптико-электронной аппаратуры ДЗЗ должно основываться на системном подходе, широком использовании базовых технологий. Основная проблема при создании такой аппаратуры состоит в точной юстировке оптики и в разработке устойчивой к изменению внешних условий конструкции. Большое количество оптических систем с подходящими характеристиками не имеют перспектив воплощения в реальном приборе из-за отсутствия технологий изготовления, юстировки и контроля. Поэтому необходимо с самого начала разработки учитывать технологические возможности изготовления, прорабатывать процессы сборки, юстировки и контроля изделия. Недооценка этих факторов тормозит создание новой аппаратуры, приводит к изменению оптических систем, переделкам конструкции, а иногда и к полной невозможности продолжения работ.
Объектив зеркального автоколлимационного спектрометра работает в режиме двойного прохождения лучей, поэтому к нему предъявляются повышенные требования по точности сборки и юстировки.
Для точной юстировки изделия предлагается проводить установку и юстировку оптических элементов непосредственно в штатном корпусе, с использованием методик интерферометрического контроля оптических поверхностей в автоколлимационных схемах [106-110]. Интерферометрические методы контроля являются наиболее точными. По анализу интерференционной картины делаются выводы о погрешностях взаимного положения оптических деталей, а точными подвижками и наклонами оптические элементы устанавливаются в правильное взаимное расположение.
Однако интерферометрические методы имеют существенные ограничения: - необходимо обеспечить получение автоколлимационного хода лучей от интерферометра; - для выбранных автоколлимационных схем необходимо, как правило, использовать специальный корректор аберраций, который нужно рассчитать и изготовить, что, в некоторых случаях, не удается сделать; - необходимо точно позиционировать интерферометр в базовой системе координат, относительно которой выполняется сборка; - для получения интерференционной картины, оптические детали в спектрометре должны быть предварительно установлены с хорошей точностью. Таким образом, для обеспечения качественной сборки юстируемой оптической системы необходимо [93, 111, 112]: - рассмотреть все варианты возможного расположения интерферометра и оптических компонентов спектрометра, для которых обеспечивается автоколлимационный ход лучей; - рассмотреть все варианты с введением дополнительных эталонных оптических элементов; - выбрать оптимальные варианты с рациональным расположением интерферометра и дополнительных оптических элементов; - правильно выбрать логическую последовательность технологических операций сборки и юстировки; - обеспечить в конструкции выполнение необходимых технических требований по точностям сопряжения при последовательной установке каждой схемной детали и узла; - материализовать базовую систему координат с помощью прецизионных зеркальных элементов; - разработать методики и технологические приспособления для предварительного выставления оптических компонентов спектрометра с хорошей точностью относительно базовой системы координат; - разработать методики и технологические приспособления для точного позиционирования интерферометра в базовой системе координат; - рассчитать компенсаторы аберраций для выбранных схем. Исходя из вышесказанного, разумно будет разбить процесс юстировки на два этапа: - предварительный - геометрическая юстировка компонентов ОС относительно базовых элементов, задающих приборную систему координат с использованием универсальных контрольно-юстировочных приборов и методов; - окончательный - с использованием методик интерферометрического контроля.
Суть оптического контроля во время предварительного этапа юстировки заключается в визуальном наблюдении, с помощью контрольно-юстировочных приборов, положения компонентов объектива относительно базовых элементов, задающих приборную систему координат. Традиционный оптический контроль позволяет добиваться точности геометрической юстировки взаимного положения компонентов на уровне точности контролирующих приборов -порядка (0,05-0,2) мм/м и (2-4).
Для сборки и юстировки спектрометра понадобятся следующие измерительные приборы: - малогабаритный переносной интерферометр для контроля оптических поверхностей (Таблица 10); - визирная автоколлимационная труба для контроля центрировки и смещения оптических компонентов (Таблица 11); - автоколлимационные теодолиты для высокоточных угловых измерений (Таблица 12);
Спектрометр с двумя склеенными призмами с зеркальным покрытием, нанесенным на последнюю грань
Значения величин А и D с помощью коэффициентов коррекции чувствительности и темнового сигнала приводятся при наземной калибровке к единым значениям для всех элементов строки. УК в процессе эксплуатации позволяет контролировать изменения значений А и D и уточнять, при необходимости, коэффициенты коррекции, восстанавливая тем самым ГХ аппаратуры.
Точность контроля чувствительности с помощью УК (точность бортовой калибровки) определяется в основном стабильностью светового потока ЛН, которая зависит от характеристик стабилизации источника питания. Для метрологических целей рекомендуется стабилизация по току, при которой устраняются погрешности, связанные с изменением сопротивления цепи питания и благоприятная для продления ресурса лампы.
Разработанная методика расчета радиометрических характеристик и методика спектральной калибровки были внедрены на ПАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева» в устройстве бортовой радиометрической калибровки аппаратуры ГСА-РП для космического аппарата «Ресурс-П».
Одними из главных задач, решаемыми при обработке информации ДЗЗ, являются картографическая координатная привязка и определение формы и размеров объектов на снимках. Чтобы извлекать из цифровых снимков максимум полезной информации, необходимо устранять присутствующие в них перспективные и масштабные искажения, сдвиги изображения, смазы, размытия и т.д. Эти искажения типичны для реальной съемки, т. к. даже небольшое изменение ориентации спутниковой платформы приводит к существенным пространственным искажениям на снимке из-за большого «плеча» при съемке с большой высоты.
Для геометрической коррекции изображений широко распространена двухэтапная коррекция с использованием полиномиальной модели искажений, наземных контрольных точек и геометрических контуров [1, 136]. Данный метод, именуемый полиномиальной коррекцией, имеет следующие недостатки: – данные дважды подвергаются повторной дискретизации; – не всегда удается подобрать полином, нужной степени точности; – для обеспечения малого значения результирующей невязки требуется большое количество наземных контрольных точек. Кроме того, эти методы вносят существенные искажения в спектральные характеристики объектов на снимках [136], что особенно критично для гиперспектральных систем. Более сложный, но и более эффективный подход с точки зрения сохранения спектральной информации заключается в учете всех поправок с помощью одноэтапной коррекции и дискретизации с использованием физических моделей съемки, для построения которых необходимо иметь подробную информацию об элементах ориентирования снимка. Также эта информация позволит осуществлять координатную привязку снимков ДЗЗ с погрешностью, ограниченной пространственным разрешением аппаратуры.
Элементы внутреннего ориентирования – зависимость координат точки на снимке от углового положения входной связки лучей – вычисляются во время фотограмметрической аттестации аппаратуры и заносятся в ее паспорт.
Элементы внешнего ориентирования – линейные координаты аппаратуры в момент съемки, направление и разворот оптической оси – определяют положение связки визирующих лучей в инерциальной системе координат.
Положение космического аппарата (КА) в инерциальной системе координат (ИСК) описывается шестью параметрами (Рисунок 4.6): эксцентриситетом и наклонением орбиты, долготой восходящего узла, аргументом перигея и истинной аномалией [137].
Для синхронизации измерений и съемок, построения ориентации, вычисления точных параметров орбиты, программного наведения, автономного планирования сеансов съемки и определения навигации является обязательным использование автономной спутниковой системы навигации ГЛОНАСС/GPS. В качестве примера прибора спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS в Таблице 15 приведены технические характеристики аппаратуры КМ-737(Носитель) разработки АО "МКБ "Компас" [138].
Измерение линейных координат для построения параметров орбиты обычно осуществляется средствами космического аппарата. Однако, точное вычисление углового положения оптической оси ГСА возможно, только если с высокой точностью известно угловое положение измерительных приборов относительно приборной системы координат (ПСК) аппаратуры. С целью минимизации промежуточных звеньев конструкции, их необходимо устанавливать непосредственно на корпус ГСА, поэтому устройство контроля углового положения оптической оси ГСА в процессе съемки должно быть включено в состав аппаратуры.
Ориентация оптической оси аппаратуры ДЗЗ в пространстве требует высокоточных измерений, выполняемых полностью автономными средствами. Традиционно такими средствами являются звездные датчики угловой ориентации (ЗД) [139-141]. Звездные датчики, использующие принцип ориентации по группе звезд позволяют стабильно вычислять углы трехосной ориентации собственной системы координат относительно инерциальной системы координат (ИСК). Однако любой, даже самый высокоточный ЗД со среднеквадратической погрешностью вычисления координат направления оси визирования (oxj) не более 1…2 угл.с, обладает тем недостатком, что величина погрешности erz определения угла разворота вокруг оси визирования составляет -20 угл.с, в виду малой базы измерений [142]. Сравнительные характеристики нескольких моделей современных отечественных и зарубежных звездных датчиков представлены в Таблице 16: