На борту российского сегмента МКС находится достаточно большое количество фо-тоаппаратуры, что – поле зрения камеры видеосопровождения: 220 ? 165 км


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
�� Средства измерений
��16 Приборы и методы измерений, №
1 (8), 2014
�� Средства измерений
Приборы и методы измерений, №
1 (8), 2014
пространственная привязка спектров к
полученному изображению;
система видеосопровождения подсти
лающей поверхности для облегчения наведения
ВСС на исследуемый объект.
ВСС выполнена
в виде моноблока с отде
ляемым блоком управления и отображения ин
формации (рисунок 1). Система
устанавлива
ется на иллюминатор с помощью поворотного
установочного кронштейна с
датчик
и углов
поворота по двум осям, дающими
информацию
о положении прибора
.
Рисунок 1 –
Внешний вид видеоспектральной с
стемы на установочном кронштейне: 1 –
базовый
блок; 2 –
блок монитора; 3 –
установочный кро
штейн; 4 –
имитатор иллюминатора
Принцип работы и основные модули видео
спектральной системы
Чтобы обеспечить одновременную реги
страцию изображения и спектров
излучения
подстилающей поверхности (далее спектров)
использован единый входной объектив
Has
selblad
4,5/300 со встроенным центральным
электромеханическим затвором. На рисунке
показана оптическая схема ВСС.
Излучение
поступает на входной объектив
. С помощью
светоделителя
ото
к излучения делится на две
части
часть излучения направляется и фокус
руется на цветную фотоприемную матрицу
Kodak
KAF
40000, вторая часть фокусир
уется
на
плоскост
ь изображения
7 для получения спе
тров. Исходя из характеристик светочувств
тельности канала изображения и спектрального
канала пластина светоделителя
на передней
плоскости имеет
специальн
покрытие
, отр
жающ
% излучения и пропуска
ло 80
% излучения. В плоскости 7 расположены
входные торцы трех световодов передачи изо
ражения
, которые передают излучение из
плоскости 7 на входные щели
9 трех одинак
вых полихроматоров. Также из плоскости 7
помощью световода
излучение
выв
одится
автоэкспонометр
Для удобства наведения
прибора предусмотрена камера 12, видеосигнал
с которой в режиме обзора выводится на экран
монитора.
Управление всеми модулями осуществля
ется с помощью встроенного одноплатного
компьютера 7
GS Jetway
Управление и
копирование данных
с задника
Hasselblad
матрицей
Kodak
KAF
40000 производится
про
граммой управления ВСС по интерфейсу
Fire
Wire
. Работа с тремя
спектрометр
ами спек
трального канала осуществляется через
USB
интерфейс. При ведении съемки на
встроенный
твердотельный жест
кий диск сохраняются дан
ные с канала изображения со всей информа
цией настроек, данные со спектрометров, по
ложения датчиков углов поворота установоч
ного кронштейна, служебная информация и
данные об отказах подсистем.
Питание
ВСС
предусмотрено как от бортовой сети, так и от
присоединяемого аккумулятора.
Спектральный канал
Спектральный
канал ВСС представляет
собой три полихроматора с вогнутыми голо
графическими дифракционными решетками
10
(рисунок
2)
и матричными приемниками излу
чения
11
. Изображение с ПЗС матрицы каждого
полихроматора содержит спектральную инфор
мацию и пространственное распределение яр-
кости вдоль входной щели.
Для вогнутых сферических дифракцион
ных решеток характерна астигматическая абер
рация. Ее суть заключается в том, что фокуси
ровка излучения в меридиональной и сагит
тальной плоскостях происходит на различных
расстояниях от дифракционной решетки. Это
затрудняет получение высокого пространст
венного разрешения по высоте входной щели.
�� Средства измерений
��18 Приборы и методы измерений, №
1 (8), 2014
Был разработан и применен метод умень
шения астигматизма вогнутой дифракцио
ной решетки, позволивший значительно ув
личить количество одновременно спектр
метрируемых областей без потери спектрал
ного разрешения. При разработке ВСС пров
дены как теоретические обоснования нового
метода, так и макетирование с оценкой улу
шения пространственного разрешения пол
хроматора.
Рисунок 2 –
Оптическая схема видеоспектральной системы: 1
входной объектив; 2
электромеханический з
твор; 3
конвертер; 4
плоская полупрозрачная пластина узла светоделителя (УСД); 5
цветная фотоприемная
матрица (39
Мпкс, 5412
7212
элементов, 16 бит); 6
цветная фоточувствительная матрица канала изображ
ний
электронным обрамлением (задник); 7
вторая плоскость изображения; 8
световоды передач
и изобр
жения; 9
входные щели полихроматоров; 10
диспергирующие элементы (вогнутые голограммные решетки);
приемные матрицы полихроматоров
DALSA IA
01044 (1044
1044
элементов); 12
камера видеосопр
вождения (электронный видоискатель); 13
локонно
оптические световоды;
фотодиод электронного экспонометра
Если изображение регистрируемой поверх
ности находится в плоскости входной щели
9
(рисунок
то плоскости фокусировки по спе
тру и по пространству находятся на разных ра
стояниях
от дифракционной решетки. Суть м
тода состоит в смещении плоскости выходных
торцов световодов передачи изображения 8
на
определенное расстояние от входной щели
9
вдоль оптической оси, что позволяет совместить
фокусировку лучей в меридиональн
и саги
тальн
плоскост
. При этом входная щель
9
работает как одномерная диафрагма для получ
ния высокого спектрального разрешения. Этот
принцип был применен на ВСС, где изображ
ние объекта съемки передается на выходной то-
рец световода изображения.
Лабораторные
эксперименты
с видеоспект
ральной системой
показали
значительное
улуч
шение
(до 10
раз)
пространственного раз
реше
ния, определяемого астигматизмом дифракц
онной решетки.
аполнение излучением раб
чей области дифракционной решетки, а также
чувствительност
ь полихроматора обеспечив
ются шириной световода передачи изображ
ния.
В ВСС световоды передачи изоб
ражения 8
(рис
унок
2) имеют высоту 20
мм и ширину
С помощью монохроматического освет
теля и зеркального коллиматора были созданы
�� Средства измерений
��Приборы и методы измерений, №
1 (8), 2014
условия освещения, позволяющие оценивать
величину астигматизма в полихроматоре.
На рисунке
представлены фрагменты
изображений приемной матрицы спектрометра с
астигматическим отрезком.
Юстировка поло
жения световода относительно
входной щели
полихроматора позволила уменьшить астигма
тический отрезок
почти
в 10
раз в
центральной
части по высоте входной щели.
При этом спек
тральное разрешение не ухудшилось.
Без ком
пенсации астигматизма каждый полихроматор
может
сформировать
лишь от 8 до 10 простра
ственно разделенных спектров, а применение
данного метода позволило получить более 80
пространственно разделенных спектров на ка
дом полихроматоре.
На рисунке 4 показаны обл
сти регистрации спектров в изображении канала
изображений. Поле
зрения каждого спектрометра
соответствует определенной области снимка к
нала изображения, и состоит из более
чем
дельных пространственно разделенных спектров.
Экспонирование фоточувствительной ма
рицы канала изображения и спектрального к
нала происходит одновременно благодаря ед
ному затвору. Это позволяет однозначно «
вязывать»
каждую область спектрометриров
ния к получаемому одновременно цветному
изображению подстилающей поверхности.
Рисунок 3
Регистрируемая астигматическая аберрация. Фрагменты изображения по мере отодвигания
световода: слева –
световод расположен вплотную к входной щели полихроматора; справа –
отодвинут
на расстояние наилучшей фокусировки
Рисунок 4
Поля зрения спектрометров в поле зрения канала изображения
Существуют
и другие способы компе
сации астигматиз
, например
с помощью
вспомогательных цилиндрических зеркал
.
учитывая широкий спектральный диапазон и
,
соответственно, рабочие углы дифракции, а
также конструктивные особенности полихр
матор
,
было установлено, что они менее
эффективны
[1].
Предложенный метод требует лишь до-
полнительной юстировки
сагиттальной пло
�� Средства измерений
��20 Приборы и методы измерений, №
1 (8), 2014
кости и не требует существенных затрат по
сравнению с другими методами компенсации
астигматизма
[1].
Характеристики опытного образца
К настоящему времени изготовлен опы
ный образец видеоспектральной системы. Про-
ведены юстировки
оптических модулей. Отр
ботано специальное программное обеспечение
для работы тестирования всех модулей прибо-
ра, управления, выбора режимов и проведения
съемки, переноса данных на сменные носители
[2].
Для предстартовой проверки работоспо
собности аппаратуры разработана и изготов
лена контрольно
поверочная аппаратура.
На метрологическом стенде проведены
спектрально
энергетические калибровки опы
ного образца, определены основные оптические
характеристики. Успешно пройдены опытно
конструкторские испытания на стендах в РКК
«Энергия»
[2].
В опытном образце видеоспектральной си
стемы удалось добиться следующих характери
стик для условий съемки с МКС
(высота ор
км)
:
поле зрения канала
изображения
:
37 ×
км;
проекция пикселя канала изображения на
поверхности Земли: 4,8
поле зрения камеры видеосопровождения:
220 × 165
км;
спектральное разрешение спектрального
канала: 3–
5
рабочий спектральный диапазон спек
трометров: 400–
950
нм;
количество спектров за одно срабатывание
затвора: не менее 270.
Заключение
Разработана видеоспектральная система для
дистанционного зондирования Земли из космоса,
являющаяся
промежуточным звеном между
спектрозональными камерами и гиперспектр
метрами.
Метод компенсации астигматизма для пол
хроматоров на базе вогнутых дифракционных
решеток позволил улучшить пространственное
разрешение полихроматоров в 10
раз
.
Список использованных источников
Беляев
,
Ю. В.
Исследование и оптимизация у
ловых характеристик фотоспектральной сист
мы / Ю.В. Беляев [и др.] // Космічна наука і те
нологія
2011.
17.
Беляев, М.Ю.
Видеоспектральная система ВСС
для космического эксперимента «Ураган» на
МКС / М.Ю.
Беляев [и др.] // Современные пр
блемы дистанционного зондирования Земли из
космоса: тез. Десятой открытой Всероссийской
конференции, Москва, 11–15 ноября 2013 г.
Москва: ИКИ РАН. [Электронный ресурс]. –
Режим доступа:
http://smiswww.iki.rssi.ru/d33_
conf/thesisshow.aspx?page=78&thesis=3901
.
Дата доступа: 11.12.2013.
____________________________________________________
A VIDEOSPECTRAL SYSTEM FOR EARTH'S REMOTE SENSING ON BOARD
THE INTERNATIONAL SPACE STATION
Krot Y.A.
, Chumakov
A.V.
, Gusev
V.F.
2
Research Institute of Applied Physical Problems, Belarusian State University, Minsk, Belarus
S.P.Korolev rocket space company «Energia»,
Korolev, Moscow area, Russia
e-mail:
[email protected]
Abstract.
A videospectral system for Earth's remote sensing from space has been developed. The opera
ing principle, optical scheme, basic and assist modules of the system are described. The specific requirements
�� Средства измерений
Приборы и методы измерений, №
1 (8), 2014
References
Belyaev Yu.V., Katkovsky L.V., Krot Ya.A., Khvalei S.V., Khomitsevich A.D. [Analysis and optimization of
photospectral system angular characteristics],
Kosmichna nauka i tekhnologiya,
2011, no. 17-1, pp. 80
83 (in
ssian).
Belyaev M.Yu.,
Ryazancev V.V., Gusev V.F., Belyaev B.I., Sosenko V.A., Chumakov A.V., Ivanov V.A., Krot
Yu.A.
[Videospectral system VSS for space experiment
Uragan
on the ISS
. T
ezisy
esyatoy otkrytoy
Vserossiyskoy konferencii
Sovremennye problemy distancionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa
Actual
problems in remote sensing of the Earth from Space.
Thesis 10
Sci. C
onf.].
Moscow, 2013.
Available
at:
http://smiswww.iki.rssi.ru/d33_conf/thesisshow.aspx?page=78&thesis=3901
(accessed 2
.201
(in Ru
s-
sian)
Поступила в редакцию
24.01.2014.

Приложенные файлы

  • pdf 15502237
    Размер файла: 697 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий