RU130699U1

RU130699U1 - AIRCRAFT HYPERSPECTROMETER

Info

Publication number: RU130699U1
Application number: RU2013110084/28U
Authority: RU
Inventors: Игорь Дмитриевич Родионов; Алексей Игоревич Родионов; Александр Петрович Калинин; Виктор Валентинович Егоров; Алексей Николаевич Виноградов; Александр Валентинович Сурдо; Михаил Александрович Малышкин
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Научно-производственный центр "Реагент" (ЗАО "НПЦ "Реагент"); Закрытое акционерное общество "Специальное конструкторское бюро "ЗЕНИТ" (ЗАО "СКБ "ЗЕНИТ")
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2013-07-27

Abstract

1. Авиационный гиперспектрометр для спектрального диапазона 200-300 нм, содержащий блок входной телескопической системы, включающей установленные на одной оптической оси по ходу лучей входной объектив, щелевую диафрагму, вырезающую изображение узкой полоски зондируемой поверхности, коллиматор и оптоэлектронный блок, включающий выходной объектив и фотоприемное устройство с матрицей, а между названными блоками размещен диспергирующий блок, отличающийся тем, что он выполнен в виде призмы из оптического материала со средней дисперсией n-n=0,062 с углом при вершине призмы α, равным 65°±30'', причем угол между оптической осью блока входной телескопической системы и гранью призмы, обращенной к названной системе, составляет β=35°10'±1'.2. Авиационный гиперспектрометр по п.1, отличающийся тем, что призма выполнена из кварца.3. Авиационный гиперспектрометр по п.1, отличающийся тем, что в качестве фотоприемного устройства использована камера INTEVAK MICRO VISTA UV1, имеющая матрицу CMOS.1. Aviation hyperspectrometer for the spectral range 200-300 nm, containing a block of the input telescopic system, including an input lens mounted on the same optical axis along the rays, a slit diaphragm that cuts out an image of a narrow strip of the probed surface, a collimator and an optoelectronic block including an output lens and a photodetector a device with a matrix, and between these blocks a dispersing block is placed, characterized in that it is made in the form of a prism from an optical material with an average dispersion nn = 0,062 with an angle at the apex of the prism α equal to 65 ° ± 30 '', and the angle between the optical axis of the block of the input telescopic system and the face of the prism facing the said system is β = 35 ° 10 '± 1'.2. The aviation hyperspectrometer according to claim 1, characterized in that the prism is made of quartz. The aviation hyperspectrometer according to claim 1, characterized in that the INTEVAK MICRO VISTA UV1 camera having a CMOS matrix is used as a photodetector.

Description

Заявляемая полезная модель относится к спектрометрии, а более конкретно к устройству для получения гиперспектральных изображений (т.е. изображений имеющих пространственную и спектральную координаты) в диапазоне 200-300 нм.The inventive utility model relates to spectrometry, and more specifically to a device for obtaining hyperspectral images (i.e., images having spatial and spectral coordinates) in the range of 200-300 nm.

В настоящее время в мировой практике наблюдается тенденция все более активного использования гиперспектрометров УФ диапазона для дистанционного зондирования Земной поверхности с борта космических и летательных аппаратов. Существует ряд задач в области дистанционного зондирования, которые могут быть решены только с использованием гиперспектральных технологий. Специфика работы гиперспектрометра ультрафиолетового диапазона и, в частности, диапазона 200-300 нм состоит в том, что такое излучение сильно поглощается молекулами озона и поэтому зондирование Земли из космоса ограничивается практически изучением собственно озонового слоя. Перспективно также изучение процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы, стратосфере, мезосфере, например, таких, как транзиентные люминесцентные излучения - спрайты, джеты, эльфы и др.Currently, in world practice, there is a trend of increasing use of hyperspectrometers in the UV range for remote sensing of the Earth's surface from spacecraft and aircraft. There are a number of tasks in the field of remote sensing, which can only be solved using hyperspectral technologies. The specificity of the operation of the ultraviolet hyperspectrometer and, in particular, the range of 200-300 nm is that such radiation is strongly absorbed by ozone molecules and therefore the probing of the Earth from space is practically limited to the study of the ozone layer itself. The study of processes occurring in the upper atmosphere, stratosphere, and mesosphere, for example, such as transient luminescent radiation - sprites, jets, elves, etc., is also promising.

Тем не менее, ультрафиолетовый гиперспектрометр диапазона 200-300 нм наиболее перспективен для дистанционного зондирования Земли с авиационных носителей.Nevertheless, an ultraviolet hyperspectrometer of the 200-300 nm range is most promising for remote sensing of the Earth from aircraft carriers.

Авиационный мониторинг в указанной области интересен еще тем, что этот диапазон имеет сравнительно низкий уровень фоновых помех, вследствие указанного выше поглощения УФ-С радиации Солнца озоновым слоем.Aviation monitoring in this area is also interesting in that this range has a relatively low level of background noise due to the above absorption of UV-C radiation from the Sun by the ozone layer.

Практическое отсутствие естественных помех, обусловленных солнечной радиацией, низкий уровень фоновых помех в диапазоне 200 - 300 нм, делает этот «солнечнослепой» диапазон весьма привлекательным для создания фотометрической аппаратуры, решающей различные технические задачи.The practical absence of natural interference caused by solar radiation, the low level of background noise in the range of 200 - 300 nm, makes this "sun blind" range very attractive for creating photometric equipment that solves various technical problems.

Известен гиперспектрометр, используемой для дистанционного зондирования земной поверхности, содержащий блок входной телескопической системы, включающей установленные на одной оптической оси по ходу лучей входной объектив, щелевую диафрагму, вырезающую изображение узкой полоски зондируемой поверхности, коллиматор и оптоэлектронный блок, включающий выходной объектив и фотоприемное устройство с матрицей, между названными блоками размещен диспергирующий блок (Калинин А.П., Орлов А.Г. и Родионов И.Д., «Вестник московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана», №3 (64), 2006 г. с.11-25.).Known hyperspectrometer used for remote sensing of the earth's surface, containing a block of the input telescopic system, including an input lens mounted on the same optical axis along the rays, a slit diaphragm that cuts out the image of a narrow strip of the probed surface, a collimator and an optoelectronic block, including an output lens and a photodetector with matrix, between the said blocks a dispersing block is placed (Kalinin A.P., Orlov A.G. and Rodionov I.D., “Bulletin of the Moscow State About the Technical University named after NE Bauman ”, No. 3 (64), 2006, pp. 11-25.).

Недостатком этого гиперспектрометра является невозможность регистрировать излучение в диапазоне 200 - 300 нм.The disadvantage of this hyperspectrometer is the inability to detect radiation in the range 200 - 300 nm.

Технической задачей настоящей полезной модели является создание гиперспектрометра для детектирования ультрафиолетового излучения в диапазоне с 200 - 300 нм.The technical task of this utility model is to create a hyperspectrometer for detecting ultraviolet radiation in the range from 200 to 300 nm.

Техническим результатом является возможность формирования гиперспектрального изображения земной поверхности в диапазоне длин волн 200-300 нм узкой полосой области обзора при перемещении летательного аппарата вдоль трассы (гиперспектрометр типа push-broom).The technical result is the possibility of forming a hyperspectral image of the earth's surface in the wavelength range of 200-300 nm with a narrow band of the field of view when moving the aircraft along the route (push-broom hyperspectrometer).

Поставленные техническая задача и результат достигаются в результате того, что в гиперспектрометре, содержащем входную телескопическую систему, включающую установленные на одной оптической оси по ходу лучей входной объектив, щелевую диафрагму, вырезающую изображение узкой полоски зондируемой поверхности, коллиматор и оптоэлектронный блок, включающий выходной объектив и фотоприемное устройство с матрицей, а между названными блоками размещен диспергирующий блок, который выполнен в виде призмы из оптического материала со средней дисперсией n₂₀₀-n₃₀₀=0,062 с углом при вершине призмы α, равным 65°±30”, причем угол - между оптической осью входной телескопической системы с и гранью призмы, обращенной к названной системе, составляет β=35°10'±1', что позволяет проецировать гиперспектральное изображение в плоскости фотоприемной матрицы в спектральном диапазоне 200-300 нм на ширину порядка 11 мм. Призма может быть выполнена из кварца, а качестве фотоприемного устройства использована камера INTEVAK MICROVISTA UV1, имеющая матрицу CMOS.The technical task and result are achieved as a result of the fact that in a hyperspectrometer containing an input telescopic system including an input lens mounted on a single optical axis along the rays, a slit diaphragm that cuts out an image of a narrow strip of the probed surface, a collimator and an optoelectronic unit including an output lens and a photodetector with a matrix, and between these blocks a dispersing block is placed, which is made in the form of a prism of optical material with an average dispersion n -n rsiey ₂₀₀ ₃₀₀ = 0.062 with an apex angle prism α, equal to 65 ° ± 30 ', the angle - between the optical input axis of the telescopic system and the prism face facing the said system is β = 35 ° 10' ± 1 ', which allows you to project a hyperspectral image in the plane of the photodetector in the spectral range of 200-300 nm on a width of about 11 mm The prism can be made of quartz, and the INTEVAK MICROVISTA UV1 camera with a CMOS matrix is used as a photodetector.

Существо полезной модели поясняется на представленных фигурах.The essence of the utility model is illustrated in the figures.

- Фиг.1. Схема гиперспектрометра, который принят за прототип (Калинин А.П., Орлов А.Г. и Родионов И.Д., «Вестник московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана», №3 (64), 2006 г. с.11-25.).- Figure 1. Hyperspectrometer scheme, which is adopted as a prototype (Kalinin A.P., Orlov A.G. and Rodionov I.D., “Bulletin of Moscow State Technical University named after N.E. Bauman”, No. 3 (64), 2006, pp. .11-25.).

- Фиг.2 Схема предлагаемого авиационного гиперспектрометра на спектральный диапазон 200-300 нм- Figure 2 Scheme of the proposed aviation hyperspectrometer in the spectral range of 200-300 nm

- Фиг.3. Схема диспергирующего узла предлагаемого гиперспектрометра.- Figure 3. Diagram of the dispersing unit of the proposed hyperspectrometer.

- Фиг.4 Схема, иллюстрирующая формирование изображения авиационным гиперспектрометром.- Fig. 4 A diagram illustrating image formation by an aircraft hyperspectrometer.

Устройство, которое принято за прототип (фиг.1), имеет блок входной телескопической системы, включающей установленные на одной оптической оси по ходу лучей входной объектив 1, щелевую диафрагму 2, коллиматор 3. За коллиматором 3 размещен диспергирующий блок 4, к которому крепится оптоэлектронный блок, включающий выходной объектив 5 и фотоприемное устройство 6 с матрицей.The device, which is taken as a prototype (Fig. 1), has an input telescopic system unit including an input lens 1, a slotted diaphragm 2, a collimator 3 mounted on the same optical axis in the direction of the rays. A dispersing unit 4 is attached to the collimator 3, to which an optoelectronic mount a unit including an output lens 5 and a photodetector 6 with a matrix.

Предлагаемое устройство имеет входной блок, содержащий входную телескопическую систему, включающую установленные на одной оптической оси по ходу лучей входной объектив 1, щелевую диафрагму 2, вырезающую изображение узкой полоски зондируемой поверхности, и коллиматор 3. За входным блоком по ходу лучей расположен диспергирующий блок 4. Противоположной к входному блоку стороной диспергирующий блок крепится к оптоэлектронному блоку, содержащему выходной объектив 5 и фотоприемное устройство 6 с матрицей. Диспергирующий блок 4 выполнен в виде призмы 7 (фиг.3) из оптического материала со средней дисперсией n₂₀₀-n₃₀₀=0,062 с углом при вершине призмы α, равным 65°±30”, причем угол между оптической осью входной телескопической системы с и гранью призмы, обращенной к названной системе, составляет β=35°10'±1;, что позволяет проецировать гиперспектральное изображение в плоскости фотоприемной матрицы в спектральном диапазоне 200-300 нм на ширину порядка 11 мм. Призма может быть выполнена из кварца, например, кварца марки КУ-1, а качестве фотоприемного устройства возможно применение камеры INTEVAK MICROVISTA UV1, которая имеет матрицу CMOS.The proposed device has an input unit containing an input telescopic system, including an input lens 1 mounted on the same optical axis along the rays, a slit diaphragm 2 that cuts out the image of a narrow strip of the probed surface, and a collimator 3. A dispersing unit 4 is located behind the input block along the rays. The opposite side to the input unit is the dispersing unit attached to the optoelectronic unit containing the output lens 5 and a photodetector 6 with a matrix. The dispersing unit 4 is made in the form of a prism 7 (figure 3) of an optical material with an average dispersion of n ₂₀₀ -n ₃₀₀ = 0.062 with an angle at the apex of the prism α equal to 65 ° ± 30 ”, and the angle between the optical axis of the input telescopic system c and the face of the prism facing the system is β = 35 ° 10 '± 1; which allows you to project a hyperspectral image in the plane of the photodetector in the spectral range 200-300 nm to a width of about 11 mm. The prism can be made of quartz, for example, KU-1 brand quartz, and the INTEVAK MICROVISTA UV1 camera, which has a CMOS matrix, can be used as a photodetector.

Устройство функционирует следующим образом. Ультрафиолетовое излучение попадает во входной объектив 1. Объектив служит для формирования изображения в фокальной плоскости щелевой диафрагмы 2, выполненной в виде узкой щели шириной 60 мкм. Далее это изображение проходит через коллиматор 3. Совместно с коллиматором 3 входной объектив образует телескопическую систему, направляющую излучение в диспергирующий блок 4 (фиг.3). В качестве диспергирующего элемента названного блока применена кварцевая призма 7. После кварцевой призмы 7 разложенное по спектру изображение через выходной объектив 5 попадает на матрицу фотоприемного устройства 6, на которой формируется гиперспектральное изображение.The device operates as follows. Ultraviolet radiation enters the input lens 1. The lens is used to form an image in the focal plane of the slit diaphragm 2, made in the form of a narrow slit 60 μm wide. Further, this image passes through the collimator 3. Together with the collimator 3, the input lens forms a telescopic system that directs the radiation into the dispersing unit 4 (Fig. 3). A quartz prism 7 is used as a dispersing element of the named block. After the quartz prism 7, the spectrum-spread image through the output lens 5 falls onto the matrix of the photodetector 6, on which a hyperspectral image is formed.

Призма 7 служит для разложения излучения по длинам волн и проецирования УФ-С излучения в диапазоне 200-300 нм на фоточувствительную матрицу. Более длинные и короткие длины волн оказываются вне матрицы.Prism 7 serves to decompose the radiation at wavelengths and to project UV-C radiation in the range of 200-300 nm on a photosensitive matrix. Longer and shorter wavelengths are outside the matrix.

Пример практической реализации предлагаемого устройства.An example of the practical implementation of the proposed device.

При проектировании к оптической системе гиперспектрального модуля предъявлялись следующие требования по размеру пятен рассеяния для всех точек поля:When designing the hyperspectral module to the optical system, the following requirements were imposed on the size of scattering spots for all points of the field:

среднеквадратичная величина диаметра должна составлять не более 13 мкм. Данное условие обусловлено требованиями на угловое и спектральное разрешения гиперспектрометра. Для выполнения данного требования телескопическая система была рассчитана с качеством изображения выше требуемого, поскольку, последующая часть оптической системы (диспергирующий элемент и проекционный объектив) вносят дополнительные аберрации.the root mean square value of the diameter should be no more than 13 microns. This condition is due to the requirements for the angular and spectral resolution of the hyperspectrometer. To fulfill this requirement, the telescopic system was calculated with an image quality higher than required, since the subsequent part of the optical system (dispersing element and projection lens) introduce additional aberrations.

В качестве фотоприемного устройства была применена камера INTEVAK MICROVISTA UV1, имеющая матрицу CMOS (1,3*10⁶ квадратных пикселов со стороной 10,8 мкм, размер матрицы 13,8×11,6 мм²), выполненную по технологии с обратной засветкой, обеспечивающую чувствительность в УФ спектральном диапазоне.An INTEVAK MICROVISTA UV1 camera with a CMOS matrix (1.3 * 10 ⁶ square pixels with a side of 10.8 μm, a matrix size of 13.8 × 11.6 mm ² ), made using backlight technology, was used as a photodetector. providing sensitivity in the UV spectral range.

Ниже приведены основные технические характеристики разработанного УФ-С гиперспектрометра.Below are the main technical specifications of the developed UV-C hyperspectrometer.

Полное поле зренияFull field of view не менее 1 рад поперек траекторииnot less than 1 rad across the trajectory Угловое разрешениеAngular resolution не более 2 мрадno more than 2 mrad Спектральный диапазонSpectral range 200 нм - 300 нм200 nm - 300 nm Количество спектральных диапазоновThe number of spectral ranges не менее 100,not less than 100, Спектральное разрешениеSpectral resolution не более 1 нм (ширина на полувысоте на 250 нм)no more than 1 nm (width at half maximum at 250 nm) АпертураAperture f/4,5f / 4,5 Динамический диапазонDynamic range не менее 4096:1 (12 бит)no less than 4096: 1 (12 bits) Отношение сигнал/шумSignal to noise ratio не менее 1000:1 (в пике)no less than 1000: 1 (at the peak) Точность абсолютной калибровкиAbsolute Calibration Accuracy ±0,5%± 0.5% Скорость считывания данныхData reading speed не менее 25 Мпиксел/секnot less than 25 megapixels / sec

Рабочая температураWorking temperature от минус 40°С до +55°Сfrom minus 40 ° С to + 55 ° С Температура храненияStorage temperature от минус 55°С до +85°Сfrom minus 55 ° С to + 85 ° С Максимальная высота примененияMaximum application height не менее 12000 мnot less than 12000 m

Рисунок, представленный на фиг.4, иллюстрирует формирование гиперспектрального изображения вдоль трассы полета узкой полосой области обзора “АВ”. благодаря наличию узкой щели и поступательному движению носителя (в английской терминологии типа push-broom), позволяющему получать гиперспектральные изображения в диапазоне длин волн 200-300 нм.The figure presented in figure 4, illustrates the formation of hyperspectral images along the flight path with a narrow strip of the field of view "AB". due to the presence of a narrow gap and the translational motion of the carrier (in English terminology such as push-broom), which allows to obtain hyperspectral images in the wavelength range of 200-300 nm.

Гиперспектральная информация УФ-С диапазона, получаемая при использовании авиационного гиперспектрометра, предназначена для использования в следующих областях науки, техники и народного хозяйства.Hyperspectral information of the UV-C range obtained using an aircraft hyperspectrometer is intended for use in the following fields of science, technology and the national economy.

Наука: исследование физических процессов, происходящих в верхней атмосфере, стратосфере и мезосфере; изучение динамики озонового слоя Земли; исследование процессов горения и взрыва.Science: study of physical processes occurring in the upper atmosphere, stratosphere and mesosphere; study of the dynamics of the ozone layer of the Earth; study of combustion and explosion processes.

Техника: создание бортовых и наземных средств дистанционного обнаружения пусков ракет класса «земля-воздух»; создание сенсоров для обнаружения источников УФ-излучения, сопровождающего коронные и частичные разряды на изоляторах силовых электрических установок.Technique: creation of airborne and ground-based means for remote detection of launches of air-to-air missiles; creation of sensors for detecting sources of UV radiation accompanying corona and partial discharges at insulators of power electrical installations.

Народное хозяйство: энергетика; железнодорожный транспорт; системы безопасности; экология.National economy: energy; railway transport; security systems; ecology.

Claims

1. Aviation hyperspectrometer for the spectral range 200-300 nm, containing a block of the input telescopic system, including an input lens mounted on the same optical axis along the rays, a slit diaphragm that cuts out an image of a narrow strip of the probed surface, a collimator and an optoelectronic block, including an output lens and a photodetector a device with a matrix, and between these blocks a dispersing block is placed, characterized in that it is made in the form of a prism of optical material with an average dispersion of n ₂₀₀ -n ₃₀₀ = 0.062 with an angle at the apex of the prism α equal to 65 ° ± 30 '', and the angle between the optical axis of the block of the input telescopic system and the face of the prism facing the said system is β = 35 ° 10 '± 1'.

2. The aircraft hyperspectrometer according to claim 1, characterized in that the prism is made of quartz.

3. The aircraft hyperspectrometer according to claim 1, characterized in that the INTEVAK MICRO VISTA UV1 camera having a CMOS matrix is used as a photodetector.