RU155382U1 - Узкоугольный авиационный гиперспектрометр с узлом сканирования - Google Patents

Abstract

1. Узкоугольный авиационный гиперспектрометр с узлом сканирования, 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 перед входным объективом установлен обтекатель с плоскими стенками, внутри которого размещен узел сканирования, выполненный в виде призмы Дове, установленной на следящем поворотном устройстве, механическая система которого выполнена в виде двух каскадно-соединенных поворотных устройств с электрическим приводом, обеспечивающих одновременный поворот призмы Дове в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, причем ротор первого поворотного устройства является статором второго поворотного устройства, передача энергии электрическим приводам и различные информационные данные осуществляются с помощью вращающегося контактного устройства, а контроль за поворотными устройствами производится посредством модуля управления, получающего управляющий сигнал от широкоугольного сенсора, предназначенного для обнаружения цели.2. Авиационный гиперспектрометр по п. 1, отличающийся тем, что гиперспектрометр выполнен в виде герметичного контейнера.3. Авиационный гиперспектрометр по п. 2, отличающийся тем, что корпус гиперспектрометр выполнен в виде литой конструкции из легкого металла, например алюминия.4. Авиационный гиперспектрометр по п. 1, отличающийся тем, �

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 450-1000 нм.

В настоящее время в мировой практике наблюдается тенденция все более активного использования гиперспектрометров для дистанционного зондирования земной поверхности с борта воздушных и космических летательных аппаратов. Существует ряд задач в области дистанционного зондирования, которые могут быть решены только с использованием гиперспектральных технологий. Большинство гиперспектрометров, предназначенных для дистанционного зондирования с борта авиационных носителей имеют относительно большое поле зрения и не позволяют осуществлять тщательное исследование выбранного небольшого объекта в поле зрения гиперспектрометра. Поэтому перспективным представляется создание гиперспектрометра с небольшим полем зрения но с высоким пространственным разрешением, обладающего способностью направлять поле зрения на интересующий объект и отслеживать его, причем целеуказания для него должен выдавать широкоугольный сенсор.

Известен гиперспектрометр, используемый 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, состоящий из выходного объектива и фотоприемного устройства с матрицей, а между названными блоками размещен диспергирующий блок (Родионов И.Д., Родионов А.И., Калинин А.П., Егоров В.В., Виноградов А.Н., Сур до А.В., Малышкин М.А. Авиационный гиперспектрометр. Полезная модель патент №130699 от 07.04.2012. Опубликовано: 27.07.2013 Бюл. №21).

Этот гиперспектрометр работает по типу push-broom. Недостатком его является невысокое пространственное разрешение (~1 м) вследствие большого поля зрения (-60°) и невозможность осуществлять слежение за малоразмерными объектами с целью их детального исследования.

Для преодоления указанных выше недостатков предлагается создание узкоугольного авиационного гиперспектрометра, позволяющего осуществлять сканирование объекта, найденного широкоугольным сенсором.

Технической задачей настоящей полезной модели является создание авиационного гиперспектрометра дистанционного зондирования с высоким пространственным разрешением и с малым углом обзора, который позволяет отслеживать выбранный объект и осуществлять его тщательное изучение по предварительному целеуказанию от сопряженной с ним широкоугольной аппаратуры.

Техническим результатом является возможность наведения предлагаемого гиперспектрометра на интересующий объект по данным другого сенсора с большим углом обзора и слежения за этим объектом. Предлагаемый гиперспектрометр позволяет осуществлять сканирование целевого объекта для формирования гиперспектрального изображения с высоким пространственным разрешением в диапазоне 400-1000 нм. Это даст возможность детально исследовать как геометрические, так и физико-химические свойства объекта.

Поставленная техническая задача и результат достигаются посредством того, что в гиперспектрометре, содержащем 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, перед входным объективом установлен обтекатель с плоскими стенками. Внутри обтекателя размещен узел сканирования, выполненный в виде призмы Дове, установленной на следящем поворотном устройстве, механическая система которого выполнена в виде двух каскадно-соединенных поворотных устройств с электрическим приводом, обеспечивающих одновременный поворот призмы Дове в двух различных плоскостях, причем ротор первого поворотного устройства является статором второго поворотного устройства. Передачу энергии электрическим приводам и различные информационные данные осуществляют с помощью вращающегося контактного устройства. Контроль и управление сканирующим устройством производят посредством модуля управления, получающего сигнал целеуказания от широкоугольного сенсора, предназначенного для обнаружения цели.

Авиационный гиперспектрометр может быть выполнен в виде герметичного контейнера в виде литой конструкции из легкого металла например, алюминия. Обтекатель гиперспектрометра имеет пирамидальную форму, а вокруг узла сканирования установлена бленда. В качестве широкоугольного сенсора может использоваться широкоугольный гиперспектрометр, видеокамера или устройство для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-С диапазоне.

Существо полезной модели поясняется на представленных фигурах.

Фиг. 1 - схема предлагаемого авиационного гиперспектрометра с узлом сканирования, модулем управления и широкоугольным сенсором;

Фиг. 2. - конструктивная схема узла сканирования;

Фиг. 3 - фотография узла сканирования (без электродвигателя вращения по азимуту, вращающего контактного устройства и схемы управления вращения призмы Дове и измерения угла места);

Фиг. 4 - фотография разработанного в соответствии с предлагаемой полезной моделью авиационного гиперспектрометра с узлом сканирования.

Узкоугольный авиационный гиперспектрометр (Фиг. 1) содержит 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. Перед входным объективом 1 размещен узел сканирования 9, снабженный блендой 8. Узел сканирования 9 и бленда 8 заключены внутри обтекателя 7. На Фиг. 1 также показаны модуль управления 10 сканирующим устройством и широкоугольный сенсор 11. Узел 9 (Фиг. 2) содержит призму Дове 12, датчик угла поворота призмы Дове по углу места 13, электродвигатель 14 поворота призмы Дове по углу места, устройство управления вращением призмы, измерения угла ее поворота по углу места 15, вращающееся контактное устройство 16, электродвигатель вращения по азимуту 17, датчик угла поворота по азимуту 18.

Узкоугольный гиперспектрометр функционирует следующим образом. По данным широкоугольного сенсора 11 (Фиг. 1), например широкоугольного гиперспектрометра, видео камеры или устройства для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-С диапазоне производится обнаружение и определение координат целевого объекта. Информацию, содержащую координаты выявленного объекта передают на узел сканирования с помощью модуля управления 10 (Фиг.1)

Как было указано выше в предлагаемом гиперспектрометре сканирующая система реализована на основе вращающейся призмы Дове 12 (Фиг. 2). Данное решение позволяет осуществлять сканирование в полной полусфере без снижения качественных характеристик гиперспектрометра. Фотография узла сканирования без электродвигателя вращения по азимуту, вращающего контактного устройства и схемы управления вращения призмы Дове и измерения угла места показана на Фиг. 3.

Особенностью призмы Дове является то, что она не смещает оптическую ось, дает зеркальное изображение, однако, может устанавливаться только в параллельных пучках. При установке призмы Дове в сходящихся или расходящихся пучках она вносит несимметричные искажения, которые невозможно исправить линзовой оптикой. По этой причине в качестве защитного элемента не может быть применен сферический обтекатель. В связи с этим для защиты внешних оптических и механических элементов используется плоский пирамидальный обтекатель 7, устанавливаемый непосредственно перед узлом сканирования.

Механическая система сканирования призмы Дове представляет собой два каскадно-соединенных электродвигателей 14 и 17. Расширение поля обзора достигается за счет того, что поворот производится в двух разных плоскостях. При этом ротор электродвигателя 17 является статором для второго электродвигателя 14. Для обеспечения работы электродвигателя 14 и датчика угла места 13 в узле сканирования предусмотрены схема управления двигателями, приема-передачи информации и определения текущего углового положения.

Призма Дове закрепляется непосредственно на роторе двигателя 14, который осуществляет ее сканирование по углу места. Так как отклонение призмы Дове по углу места на некий угол а приводит к отклонению оптической оси на угол равный 2 а, то для полного обзора по углу места на 180° достаточно обеспечить качение призмы Дове по углу места на угол ±45°. Вращение призмы Дове по азимуту на 360° осуществляется электродвигателем 17. В целях повышения точности наведения текущее положение призмы контролируется посредством датчиков углового положения 13 и 18,.

Так как электродвигатель вращения по углу места закреплен на роторе электродвигателя вращения по азимуту, то для передачи энергии к нему применяются вращающееся контактное устройство. Данный механизм передачи энергии характеризуется довольно высокой эффективностью и низким уровнем рассеянной энергии. В качестве вращающегося контактного устройства возможно применение устройств в соответствии с патентами RU 2212738, RU 2340047 или выпускаемые компанией «Moflon Technology Co., limited» беспроводные энергетические скользящие контактные кольца (wireless power slip rings).

После завершения ориентировки гиперспектрометра на объект в результате функционирования узла сканирования для получения детального гиперспектрального изображения объекта осуществляется сканирование целевого объекта узкой полосой обзора, формируемой щелевой диафрагмой 2 (Фиг. 1). Излучение от объекта через призму Дове направляется во входной объектив 1. Объектив служит для формирования изображения в фокальной плоскости щелевой диафрагмы 2, выполненной в виде узкой щели, например, шириной 20 мкм. Далее это изображение проходит через коллиматор 3. Совместно с коллиматором 3 входной объектив образует телескопическую систему, направляющую излучение в диспергирующий блок 4. В качестве диспергирующего элемента названного блока применена призма. После диспергирующего устройства разложенное по спектру изображение через выходной объектив 5 попадает на матрицу фотоприемного устройства 6, на которой формируется гиперспектральное изображение.

Узкоугольный авиационный гиперспектрометр с узлом сканирования, выполнен в виде герметичного контейнера (Фиг. 4). Каркас контейнера представляет собой литую фрезерованную конструкцию из алюминиевого сплава, которая является несущим каркасом гиперспектрометра. Задняя стенка контейнера позволяет открыть доступ к модулям гиперспектрометра, на ней также расположены разъемы и индикаторы работоспособности изделия. Герметичность контейнера обеспечивают уплотнительные прокладки, устанавливаемые в специальные пазы, имеющиеся в каркасе модуля. За призматическим обтекателем, хорошо видным на Фиг. 4, размещен узел сканирования с призмой Дове в центре.

В ходе испытаний гиперспектрометра были получены следующие результаты:

- Обеспечивается наведение углового поля прибора 3° по сигналам целеуказания в пределах полусферы.

- Систематическая погрешность наведения - не более 1°;

- Угловое разрешение 0,1 10^-3 рад.

Результаты проведенных испытаний подтвердили промышленную применимость предлагаемого узкоугольного авиационного гиперспектрометра с узлом сканирования, а также целесообразность его применения в различных областях науки, техники и народного хозяйства.

Claims (8)

1. Узкоугольный авиационный гиперспектрометр с узлом сканирования, 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 перед входным объективом установлен обтекатель с плоскими стенками, внутри которого размещен узел сканирования, выполненный в виде призмы Дове, установленной на следящем поворотном устройстве, механическая система которого выполнена в виде двух каскадно-соединенных поворотных устройств с электрическим приводом, обеспечивающих одновременный поворот призмы Дове в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, причем ротор первого поворотного устройства является статором второго поворотного устройства, передача энергии электрическим приводам и различные информационные данные осуществляются с помощью вращающегося контактного устройства, а контроль за поворотными устройствами производится посредством модуля управления, получающего управляющий сигнал от широкоугольного сенсора, предназначенного для обнаружения цели.

2. Авиационный гиперспектрометр по п. 1, отличающийся тем, что гиперспектрометр выполнен в виде герметичного контейнера.

3. Авиационный гиперспектрометр по п. 2, отличающийся тем, что корпус гиперспектрометр выполнен в виде литой конструкции из легкого металла, например алюминия.

4. Авиационный гиперспектрометр по п. 1, отличающийся тем, что обтекатель имеет пирамидальную форму.

5. Авиационный гиперспектрометр по п. 1, отличающийся тем, что вокруг сканирующего устройства установлена бленда.

6. Авиационный гиперспектрометр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве широкоугольного сенсора используют широкоугольный гиперспектрометр.

7. Авиационный гиперспектрометр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве широкоугольного сенсора используют видеокамеру.

8. Авиационный гиперспектрометр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве широкоугольного сенсора используют устройство для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-С диапазоне

Images