многоканальный сканирующий радиометр с широкой полосой обзора

Формула изобретения

1. Многоканальный сканирующий радиометр с широкой полосой захвата для дистанционного мониторинга в спектральном диапазоне 3-13 мкм, формирующий N информационных каналов (от 1 до N), включает последовательно установленные и оптически связанные между собой плоское зеркало с двухсторонним отражающим покрытием, совершающее круговое вращение с помощью привода вращения вокруг оси, совпадающей с направлением движения носителя, N информационных оптических блоков и N блоков калибровки, а также N блоков обработки видеосигнала и датчик начала строки, оптически связанный со сканирующим зеркалом, каждый информационный оптический блок содержит фильтр, линзовый объектив и многоэлементный приемник излучения, связанный с системой охлаждения, при этом информационные оптические блоки размещаются с одной стороны сканирующего зеркала и их оптические оси параллельны, а приемники излучения ориентированы по направлению движения носителя, каждый блок калибровки через сканирующее зеркало оптически связан с одним информационным оптическим блоком и содержит два имитатора абсолютно черного тела, первый низкотемпературный и второй высокотемпературный, температура которых отличается на величину не менее 30°С, а ее поддержание обеспечивается с точностью 0,1°С, каждый приемник излучения электрически связан с аналого-цифровым преобразователем и блоком синхронизации, образующими один блок обработки сигнала, при этом блок синхронизации соединен с приводом сканирующего зеркала, приемником излучения и аналого-цифровым преобразователем, а также с выходом датчика начала строки, формирующим в момент прохождения сканирующим зеркалом фиксированного положения импульс на вход блока синхронизации, отличающийся тем, что каждый блок обработки видеосигнала дополнительно содержит два оперативных запоминающих устройства, первое и второе, для хранения видеоинформации от первого и второго имитаторов абсолютно черного тела, соответственно, блок вычисления корректирующих коэффициентов и смещений и блок коррекции видеоинформации, при этом выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входами первого и второго оперативного запоминающего устройства, и первым входом блока коррекции видеоинформации, а выход блока синхронизации соединен с входами первого и второго оперативного запоминающего устройства, выходы которых соединены с входом блока вычисления корректирующих коэффициентов и смещений, выход которого соединен с блоком коррекции видеоинформации.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит N1 информационных оптических блоков, аналогичных информационным оптическим блокам N, которые устанавливаются симметрично относительно сканирующего зеркала по отношению к информационным оптическим блокам N.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для дистанционного получения спектрозональных изображений поверхности Земли в инфракрасном диапазоне спектра из космоса и с авиационных носителей различного класса. Заявляемое устройство может использоваться для получения тепловых карт и оперативного обнаружения тепловых аномалий, очагов лесных пожаров и высокотемпературных объектов природного и техногенного характера.

Известно двухканальное оптико-электронное сканирующее устройство HSRS (W.Skrbek and E.Lorenz, «HSRS - An infrared sensor for hot spot detection», Proc. SPIE, 3437, pp.167-176, 1998), установленное на спутнике BIRD. Устройство включает два оптико-электронных блока, каждый из которых содержит линзовый объектив и многоэлементный приемник излучения, охлаждаемый микрокриогенной системой охлаждения. Оптические оси блоков параллельны, а приемники излучения ориентированы перпендикулярно направлению движения спутника. Первый оптический блок устройства формирует изображение в спектральном диапазоне 3.4-4.2 мкм, второй - в диапазоне 8.5-9.3 мкм. Радиометрическая калибровка устройства обеспечивается введением перед каждым объективом непрозрачного экрана в начале и конце сеанса съемки. Устройство обеспечивает пространственное разрешение 370 м и полосу захвата 190 км. Недостатком устройства является малая полоса захвата, так как она определяется числом элементов приемника излучения, что снижает оперативность мониторинга поверхности. Также недостатком устройства является большой интервал между сеансами радиометрической калибровки, что при наличии изменения теплового поля устройства и чувствительности отдельных элементов приемника приводит к снижению качества получаемых изображений и точности измерения температуры.

Известны оптико-механические сканирующие устройства, содержащие сканирующий элемент, объектив и многоэлементный приемник излучения (М.М.Мирошников «Теоретические основы оптико-электронных приборов», Л.: Машиностроение, 1977, стр.70). В этих устройствах перемещение визирной оси осуществляется сканирующим элементом перпендикулярно движению носителя, а многоэлементный приемник излучения ориентирован вдоль направления движения носителя. Сочетание механической развертки и многоэлементного приемника в таких устройствах позволяет реализовать широкую полосу захвата до 2000 км и одновременно без потери чувствительности повысить разрешающую способность аппаратуры.

Подобные технические решения реализованы в широкозахватном многозональном сканирующем устройстве малого разрешения - МСУ-МР (разработано и эксплуатируется во ФГУП «РНИИ КП», Россия), предназначенном для получения гидрометеорологической информации с космических аппаратов. В устройстве МСУ-МР сканирующим элементом является зеркало с двухсторонним отражающим покрытием, совершающее круговое вращение вокруг оси, совпадающей с направлением движения носителя, с помощью привода вращения. Устройство позволяет сформировать в диапазоне 3.5-12.5 мкм три изображения с помощью трех оптических блоков, установленных после сканирующего зеркала. Каждый блок содержит фильтр, формирующий спектральный диапазон, линзовый объектив и приемник излучения, имеющий четыре чувствительных элемента, охлаждаемых радиационным способом. Визирные оси блоков параллельны. Чувствительные элементы приемника излучения расположены вдоль линии сканирования. Формирование и синхронность изображения обеспечивается датчиком начала строки, оптически связанным с осью вращения сканирующего зеркала. Для радиометрической калибровки в инфракрасном диапазоне спектра устройство содержит шесть имитаторов абсолютно черного тела со стабилизированной температурой, излучение которых вводится в информационные каналы два раза за оборот сканирующего зеркала. Для калибровки каждого модуля используется по два имитатора абсолютно черного тела с различной температурой. Устройство имеет полосу захвата 2800 км. Недостатком устройства МСУ-МР является низкое пространственное разрешение (1 км).

Известное устройство по оптической схеме наиболее близко к изобретению и выбрано в качестве прототипа.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение пространственного разрешения известного устройства в инфракрасном диапазоне спектра, а также повышение качества и точности получаемой информации.

Задача повышения пространственного разрешения устройства с сохранением широкой полосы захвата может быть решена за счет использования многоэлементных приемников с числом чувствительных элементов более 100. Так, при числе элементов приемника излучения 256 за счет увеличения времени накопления сигнала на чувствительных элементах приемника излучения устройство может обеспечить пространственное разрешение до 200 м в полосе захвата до 2000 км.

Технический результат достигается тем, что предложен многоканальный сканирующий радиометр с широкой полосой захвата для дистанционного мониторинга в спектральном диапазоне 3-13 мкм, формирующий N информационных каналов (от 1 до N) и содержащий последовательно установленные и оптически связанные между собой плоское зеркало с двухсторонним отражающим покрытием, совершающее круговое вращение с помощью привода вращения вокруг оси, совпадающей с направлением движения носителя, N информационных оптических блоков и N блоков калибровки, а также N блоков обработки видеосигнала и датчик начала строки, оптически связанный со сканирующим зеркалом. Каждый информационный оптический блок содержит фильтр, линзовый объектив и многоэлементный приемник излучения, связанный с системой охлаждения. Информационные оптические блоки размещаются с одной стороны сканирующего зеркала, и их оптические оси параллельны, а приемники излучения ориентированы по направлению движения носителя. Каждый блок калибровки через сканирующее зеркало оптически связан с одним информационным оптическим блоком и содержит два имитатора абсолютно черного тела, первый и второй, температура которых отличается на величину не менее 30°С, при этом поддержание температуры на имитаторах абсолютно черных тел обеспечивается с точностью 0.1°С. Каждый приемник излучения радиометра электрически связан с одним блоком обработки видеосигнала, который включает аналого-цифровой преобразователь, блок синхронизации, два оперативных запоминающих устройства, первое и второе, блок вычисления корректирующих коэффициентов и смещений и блок коррекции видеоинформации. При этом выходной сигнал с приемника излучения поступает на вход аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входами оперативных запоминающих устройств и входом блока коррекции. Блок синхронизации электрически связан с приводом, датчиком начала строки, с которого на блок синхронизации поступает импульс, формируемый в момент прохождения сканирующего зеркала фиксированного положения, приемником излучения, аналого-цифровым преобразователем, оперативными запоминающими устройствами и блоком коррекции. Блок синхронизации формирует на приводе, приемнике излучения и аналого-цифровом преобразователе управляющие частоты, необходимые для их работы, а также заданное время накопления сигнала на приемнике излучения и адреса пикселей, содержащих информацию от первого имитатора абсолютно черного тела, в первое оперативное запоминающее устройство, от второго имитатора во второе оперативное запоминающее устройство, а адреса видеоинформации о объекте съемки в блок коррекции. Выходы оперативных запоминающих устройств связаны с блоком вычисления корректирующих коэффициентов и смещений, который в свою очередь связан с вторым входом блока коррекции.

Многоканальный сканирующий радиометр с широкой полосой захвата для дистанционного мониторинга в спектральном диапазоне 3-13 мкм также может дополнительно содержать N1 информационных оптических блоков (от 1 до N1), аналогичных по составу блокам N, расположенных симметрично по отношению к информационным оптическим блокам N относительно сканирующего зеркала.

Схема заявленного многоканального сканирующего радиометра с широкой полосой захвата для дистанционного мониторинга в спектральном диапазоне 3-13 мкм поясняется на фигурах 1-3.

На фигуре 1 представлена принципиальная оптическая схема многоканального сканирующего радиометра с широкой полосой захвата с двумя информационными оптическими боками, расположенными с одной стороны сканирующего зеркала.

На фигуре 2 представлена принципиальная структурная схема формирования выходного сигнала многоканального сканирующего радиометра с широкой полосой захвата.

На фигуре 3 представлена принципиальная оптическая схема многоканального сканирующего радиометра с широкой полосой захвата с четырьмя информационными оптическими блоками, скомпонованными симметрично относительно сканирующего зеркала.

На фигуре 1 представлена принципиальная оптическая схема многоканального сканирующего радиометра с широкой полосой обзора с двумя информационными оптическими блоками, расположенными с одной стороны сканирующего зеркала, содержащая плоское сканирующее зеркало с двухсторонним отражающим покрытием 1, плоские поворотные зеркала 2 (1...2), фильтры 3 (1...2), объективы 4 (1...2), многоэлементные приемники излучения 5 (1...2), имитаторы абсолютно черного тела 6 (1...2) и 7 (1...2).

На фигуре 2 представлена принципиальная структурная схема формирования выходного сигнала многоканального сканирующего радиометра с широкой полосой захвата, содержащая двигатель вращения 8, датчик начала строки 9, аналого-цифровой преобразователь 10, блок синхронизации 11, оперативные запоминающие устройства 12 (1...2), блок вычисления корректирующих коэффициентов и смещений 13 и блок коррекции сигнала 14, где F _АЦП - частота синхронизации аналого-цифрового преобразователя, F_П - частота синхронизации привода, F _ДНС - частота датчика начала строки, F₁ , F₂ - частоты синхронизации приемника излучения, _накопл - время накопления сигнала.

На фигуре 3 представлена принципиальная оптическая схема многоканального сканирующего радиометра с широкой полосой захвата с четырьмя информационными оптическими блоками, скомпонованными симметрично относительно сканирующего зеркала, содержащая плоские поворотные зеркала, фильтры, объектив, многоэлементные приемники излучения.

Пример работы заявленного многоканального сканирующего радиометра с широкой полосой захвата для дистанционного мониторинга в спектральном диапазоне 3-13 мкм.

Устройство устанавливается на платформе космического аппарата или авиационного носителя. Поток излучения от исследуемой поверхности поступает через входное окно устройства на сканирующее плоское зеркало 1 с двухсторонним отражающим покрытием, вращающееся с равномерной скоростью с помощью двигателя вращения 8 вокруг оси, совпадающей с направлением движения носителя. Далее сканирующим зеркалом 1 излучение направляется в N информационных оптических блоков (от 1 до N), оптические оси которых параллельны. Информационные блоки размещаются с одной стороны сканирующего зеркала. Каждый информационный оптический блок содержит плоское поворотное зеркало 2, фильтр 3, формирующий спектральный диапазон, линзовый объектив 4, изготовленный из материала, прозрачного в инфракрасной области спектра, который фокусирует излучение на многоэлементном приемнике излучения 5, имеющем n чувствительных элементов. Поворотные зеркала 2 вводятся из конструктивных соображений для уменьшения габаритов устройства. Использование в устройстве сканирующего зеркала 1 с двухсторонним отражающим покрытием повышает эффективность сканирования и снижает скорость вращения привода в два раза, таким образом, в устройстве за 1/2 оборота сканирующего зеркала формируется изображение форматом р×m пикселей, где p n, a m определяется углом захвата. Использование многоэлементного приемника 5 позволяет увеличить время накопления сигнала от элемента изображения, а значит, получить более высокое пространственное разрешение или большую чувствительность по сравнению с аппаратурой, в которой формирование изображения осуществляется одноэлементными приемниками излучения. Например, при числе чувствительных элементов приемника излучения n=256 и объективе, имеющем диаметр входного зрачка 70 мм и относительное отверстие 1:1.5, с орбиты высотой 830 км устройство может иметь полосу захвата до 2000 км, пространственное разрешение в надире 200 м и величину эквивалентной шуму разности температур на уровне 300 К в диапазонах 10.5-11.5 и 11.5-12.5 мкм не более 0.1-0.2 К, а в диапазоне 3.5-4.1 мкм - 0.5К.

Для радиометрической калибровки в устройство включены N блоков калибровки, по числу информационных каналов, каждый из которых содержит по два имитатора абсолютно черного тела 6 и 7, формирующих эталонное излучение, температура которых отличается на величину не менее 30°С и стабилизируется с точностью 0.1°С. Каждый блок калибровки через сканирующее зеркало 1 оптически связан с приемником излучения 5 только одного информационного канала. Ввод эталонного излучения от имитаторов 6 и 7 осуществляется последовательно вне информационной части строки.

Для формирования цифрового сигнала каждый приемник излучения 5 радиометра дополнен электрическим блоком формирования и обработки видеосигнала, который включает аналого-цифровой преобразователь 10, блок синхронизации 11, два оперативных запоминающих устройства 12 (1...2), первое и второе, блок вычисления корректирующих коэффициентов и смещений 13 и блок коррекции сигнала 14. Приемник излучения 5 электрически связан с блоком синхронизации 11 и аналого-цифровым преобразователем 10. Выход блока синхронизации 11 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 10, входами оперативных запоминающих устройств 12 и блока коррекции сигнала 14. Выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входами оперативных запоминающих устройств 12 и блока коррекции сигнала 14. Выходы оперативных запоминающих устройств 12 соединены с блоком вычисления корректирующих коэффициентов и смещений 13, выход которого соединен с входом блока коррекции сигнала 14. Работа блока формирования и обработки видеосигнала осуществляется следующим образом. Выходной сигнал с приемника излучения 5 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 10, преобразующего аналоговый сигнал в цифровой. Формирование управляющих частот, необходимых для работы приемника излучения 5, привода 8 и аналого-цифрового преобразователя 10 (F ₁, F₂, F_П, F_АЦП), а также заданного времени накопления сигнала _накопл на приемнике излучения 5 осуществляется блоком синхронизации 11. На блок синхронизации также поступает импульс от датчика начала строки 9, формируемый в момент прохождения сканирующего зеркала 1 через фиксированное положение.

Для коррекции свойственной многоэлементным приемникам излучения неравномерности чувствительности отдельных элементов, а также коррекции изменения внутреннего температурного фона, изменения в процессе эксплуатации исходных значений пропускания оптической системы, чувствительности отдельных элементов приемника излучения 5 и коэффициента передачи электронного тракта, в состав каждого информационного канала радиометра включены два оперативных запоминающих устройства 12: первое - для хранения видеоинформации от первого, низкотемпературного, имитатора абсолютно черного тела 6, второе - для хранения видеоинформации от второго, высокотемпературного, имитатора абсолютно черного тела 7, блок вычисления корректирующих коэффициентов и смещений 13 и блок коррекции видеоинформации 14, на выходе которого формируется видеосигнал в заданном масштабе и с заданным значением постоянной составляющей сигнала. Операция коррекции видеоинформации осуществляется следующим образом. Блок синхронизации 11 формирует адреса пикселей, содержащих как информативную видеоинформацию, так и информацию от имитаторов абсолютно черных тел 6 и 7, так и от объектов съемки. Адреса пикселей, содержащие информацию от имитаторов абсолютно черных тел 6 и 7, передаются в оперативные запоминающие устройства 12, а адреса пикселей, содержащие информацию от объектов съемки, - в блок коррекции сигнала 14. Согласно адресам в первом и втором оперативных запоминающих устройствах 12 формируются выборки видеосигналов: в первом от низкотемпературного имитатора абсолютно черного тела, во втором от высокотемпературного имитатора абсолютно черного тела, размерностью n×v, где v - количество отсчетов видеосигнала от низкотемпературного или высокотемпературного имитатора абсолютно черного тела. Из оперативных запоминающих устройств 12 видеосигналы передаются в блок вычисления корректирующих коэффициентов (К _i) и смещений (Р_i) 13, которые вычисляются для каждого элемента приемника излучения 5 по следующим алгоритмам:

где i - номер чувствительного элемента приемника излучения 5,

Q - масштабный коэффициент, равный заданной разности выходных сигналов от высокотемпературного и низкотемпературных имитаторов абсолютно черного тела 6 и 7,

- среднее по выборке значение видеосигнала от высокотемпературного имитатора абсолютно черного тела,

- среднее по выборке значение видеосигнала от низкотемпературного имитатора абсолютно черного тела,

С - константа, равная заданному значению выходного сигнала от низкотемпературного имитатора абсолютно черного тела.

Значения К_i и Р_i передаются в блок коррекции видеосигнала 14, где выполняется линейное преобразование текущих значений видеосигнала по алгоритму

В полученных значениях компенсированы неравномерность чувствительности элементов приемника излучения 5, а также изменения внутреннего температурного фона, пропускания оптической системы, чувствительности отдельных элементов приемника излучения 5 и коэффициента передачи электронного тракта.

Для случая выполнения устройства, формирующего N+N1 спектрозональных каналов, информационные оптические блоки N1 (от 1 до N1) устанавливаются симметрично по отношению к информационным оптическим блокам N относительно сканирующего зеркала и так же, как и информационные блоки N, включают плоское поворотное зеркало, фильтр, линзовый объектив и многоэлементный приемник излучения, связанный с системой охлаждения. При этом оптические оси всех информационных оптических блоков параллельны, а радиометрическая калибровка информационных оптических блоков N1 осуществляется по уже имеющимся блокам калибровки. Установка дополнительно N1 информационных оптических блоков позволяет увеличить число информативных каналов устройства на N1, не увеличивая при этом размеров сканирующего зеркала и числа блоков калибровки.

Изобретение позволяет решить задачу создания широкозахватной многозональной сканирующей аппаратуры, предназначенной для получения изображений в ИК диапазоне спектра с разрешением 100-200 м, в которой обеспечивается коррекция видеосигнала в каждой строке. Изобретение может быть реализовано в устройствах космического и авиационного базирования, обеспечивающих получение природоресурсной информации и информационное обеспечение лесоохранных, экологических служб.