RU2498365C1 - Scanning device for remote image capturing - Google Patents

Scanning device for remote image capturing Download PDF

Info

Publication number
RU2498365C1
RU2498365C1 RU2012114955/28A RU2012114955A RU2498365C1 RU 2498365 C1 RU2498365 C1 RU 2498365C1 RU 2012114955/28 A RU2012114955/28 A RU 2012114955/28A RU 2012114955 A RU2012114955 A RU 2012114955A RU 2498365 C1 RU2498365 C1 RU 2498365C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
blocks
information optical
black body
information
Prior art date
Application number
RU2012114955/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Михайлович Гектин
Николай Петрович Акимов
Александр Викторович Рыжаков
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") filed Critical Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы")
Priority to RU2012114955/28A priority Critical patent/RU2498365C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2498365C1 publication Critical patent/RU2498365C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: scanning device includes at least one optical-mechanical system, each comprising: a flat scanning mirror with a reflecting coating, which moves according to a given program through a drive; N information optical units of the optical spectrum range, where N is an integer greater than or equal to 1; radiometric calibration units for information optical units of the middle and far infrared spectrum ranges; an optical calibration unit which forms an image in the middle or far infrared spectrum range; black body imitators based on phase transition of pure metals and eutectic alloys; radiometric calibration units for information optical units of the visible and near infrared spectrum ranges, each having a lens, a filter and a stabilised radiation source.
EFFECT: high radiometric accuracy of remote earth probing equipment.
2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для получения с космических аппаратов спектрозональных изображений поверхности Земли и облачного покрова для решения гидрометеорологических и природоресурсных задач, а так же для мониторинга тепловых аномалий естественного и техногенного характера.The invention relates to the field of optical instrumentation and is intended to obtain spectrozonal images of the Earth’s surface and cloud cover from spacecraft for solving hydrometeorological and natural resource problems, as well as for monitoring thermal anomalies of a natural and technogenic nature.

Из уровня техники известно множество сканирующих устройств (см. например, патенты США на изобретения US 4097115, US 6005682, US 7285779 и патенты Российской Федерации на изобретения RU 2313111, RU 2319187, RU 2324151).The prior art many scanning devices (see, for example, US patents for inventions US 4097115, US 6005682, US 7285779 and patents of the Russian Federation for inventions RU 2313111, RU 2319187, RU 2324151).

Наиболее близким к заявленному изобретению является многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений в широком угле обзора (см. патент Российской Федерации на изобретение RU 2306583, опубл. 20.09.2007).Closest to the claimed invention is a multi-zone scanning device for remote imaging in a wide viewing angle (see patent of the Russian Federation for invention RU 2306583, publ. September 20, 2007).

Устройство включает две идентичные оптико-механические системы, каждая из которых содержит плоское сканирующее зеркало с двухсторонним отражающим покрытием, совершающее непрерывное круговое вращение с помощью привода, и N информационных оптических блоков, где N - целое число не менее 1, оптические оси которых параллельны, каждый из которых включает последовательно установленные и оптически связанные поворотные зеркала, фильтр, формирующий спектральный диапазон пропускания, объектив и приемник излучения, одноэлементный или многоэлементный. Устройство также включает N блоков калибровки, где N - целое число не менее 1, каждый из которых через сканирующее зеркало оптически связаннее с одним из информационных оптических блоков. Блоки калибровки для информационных оптических блоков видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра содержат объектив, фильтр, стабилизированный источник излучения, а блоки калибровки в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах спектра два имитатора абсолютно черных тела, первый и второй, имеющих различные температуры, значение и стабилизация которых достигается с помощью регулируемого нагревательного элемента. Охлаждение приемников излучения в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах первой и второй оптико-механической системы осуществляепя с помощью общей радиационной системы охлаждения, а имитаторы абсолютно черных тел обоих оптико-механических систем, формирующих минимальную по значению температуру через тепловую трубку конструктивно связаны с радиационным экраном, ориентированным в том же направлении, что и система радиационного охлаждения приемников излучения.The device includes two identical optical-mechanical systems, each of which contains a flat scanning mirror with a double-sided reflective coating, performing continuous circular rotation by means of a drive, and N information optical blocks, where N is an integer of at least 1, the optical axes of which are parallel, each of which includes serially mounted and optically coupled swivel mirrors, a filter that forms the spectral transmission range, a lens and a radiation detector, single-element or multi-element tny. The device also includes N calibration units, where N is an integer of at least 1, each of which is optically connected through a scanning mirror to one of the information optical units. Calibration blocks for information optical blocks of the visible and near infrared ranges of the spectrum contain a lens, a filter, a stabilized radiation source, and calibration blocks in the middle and far infrared ranges of the spectrum are two completely black body simulators, the first and second having different temperatures, the value and stabilization of which is achieved using an adjustable heating element. The radiation receivers in the middle and far infrared ranges of the first and second optical-mechanical systems are cooled using a common radiation cooling system, and the simulators of the black bodies of both optical-mechanical systems that form the minimum temperature through the heat pipe are structurally connected to the radiation screen oriented in the same direction as the radiation cooling system of radiation receivers.

Недостатком известных из уровня техники технических решений, обеспечивающих съемку в инфракрасном диапазоне спектра, и в которых бортовая калибровка осуществляется с помощью имитаторов абсолютно черных тел, принудительно нагреваемых или охлаждаемых, является временное изменение выходного сигнала информационных каналов в процессе эксплуатации. Это связано:A disadvantage of the technical solutions known from the prior art, which provide shooting in the infrared range of the spectrum, and in which the on-board calibration is carried out using absolutely black body simulators, forcibly heated or cooled, is a temporary change in the output signal of the information channels during operation. It's connected:

- с изменением чувствительности оптического тракта аппаратуры как в процессе вывода космического аппарата на орбиту, так и под действием различных факторов в процессе космического полета;- with a change in the sensitivity of the optical path of the equipment both in the process of putting the spacecraft into orbit, and under the influence of various factors in the process of space flight;

- с временным изменением излучательной способности бортовых источников излучения.- with a temporary change in the emissivity of airborne radiation sources.

Практика показывает, что изменение чувствительности аппаратуры дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в процессе эксплуатации по различным оценкам составляет от 4 до 25%, например, временной дрейф, зафиксированный в тепловых каналах радиометра AVHRR, составляет ~0.50 К/год, в то время как современные требования по стабильности радиометрических сигналов во времени требуют изменений не более 0,20 К в десятилетие, то есть при существующих методах контроля требуемая радиометрическая точность не обеспечивается и фактически на порядок и более ниже необходимой точности, что приводит к искажению получаемых данных.Practice shows that the change in the sensitivity of Earth remote sensing (ERS) equipment during operation, according to various estimates, is from 4 to 25%, for example, the time drift recorded in the thermal channels of the AVHRR radiometer is ~ 0.5 0 K / year, while current requirements for the stability of radiometric signals over time require changes of not more than 0.2 0 K per decade, that is, with existing control methods, the required radiometric accuracy is not ensured and is actually an order of magnitude or more lower necessary accuracy, which leads to distortion of the received data.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение радиометрической точности аппаратуры дистанционного зондирования Земли путем дополнительного введения в аппаратуру имитаторов АЧТ на основе фазового перехода, так как температура фазового перехода вещества является постоянной величиной и не подвержена временным изменениям при условии постоянства давления окружающей среды и состава рабочего тела.The technical result of the claimed invention is to increase the radiometric accuracy of the Earth remote sensing equipment by additionally introducing blackbody simulators based on the phase transition into the equipment, since the phase transition temperature of the substance is constant and not subject to temporary changes, provided the pressure of the environment and the composition of the working fluid are constant.

Технический результат достигается тем, что сканирующее устройство для дистанционного получения изображений включает:The technical result is achieved in that the scanning device for remote image acquisition includes:

как минимум одну оптико-механическую систему, каждая из которых содержит:at least one optical-mechanical system, each of which contains:

- плоское сканирующее зеркало с отражающим покрытием, совершающее движение по заданной программе с помощью привода;- a flat scanning mirror with a reflective coating, making a movement according to a given program using a drive;

- N информационных оптических блоков оптического диапазона спектра, где N - целое число ≥1;- N information optical blocks of the optical range of the spectrum, where N is an integer ≥1;

при этом каждый информационный оптический блок включает последовательно установленные и оптически связанные поворотное плоское зеркало, фильтр, формирующий спектральный диапазон пропускания канала, объектив и одно- или многоэлементный приемник излучения;in addition, each information optical unit includes a series-mounted and optically coupled rotary flat mirror, a filter that forms the spectral bandwidth of the channel, a lens and a single or multi-element radiation receiver;

- блоки радиометрической калибровки для информационных оптических блоков среднего и дальнего инфракрасных диапазонов спектра, каждый из которых содержит имитаторы абсолютно черного тела, имеющие различные температуры: менее 300 К и более 300 К, значение и стабилизация которых достигается с помощью регулируемого нагревательного элемента;- radiometric calibration blocks for information optical blocks of the middle and far infrared spectral ranges, each of which contains absolutely black body simulators having different temperatures: less than 300 K and more than 300 K, the value and stabilization of which is achieved using an adjustable heating element;

- блоки радиометрической калибровки оптически связаны с информационными оптическими блоками через плоское сканирующее зеркало и поворотные плоские зеркала, входящие в информационные оптические блоки;- radiometric calibration blocks are optically connected to information optical blocks through a flat scanning mirror and rotary flat mirrors included in information optical blocks;

- имитаторы абсолютно черного тела на основе фазового перехода чистых металлов и эвтектических сплавов для контроля имитаторов абсолютно черного тела, имеющих различные температуры: менее 300 К и более 300 К, и оптически связанные с ними через плоское сканирующее зеркало с отражающим покрытием, совершающее движение по заданной программе с помощью привода;- absolutely black body simulators based on the phase transition of pure metals and eutectic alloys to control absolutely black body simulators having different temperatures: less than 300 K and more than 300 K, and optically coupled to them through a flat scanning mirror with a reflective coating, moving at a given program using the drive;

- как минимум один компарирующий оптический блок, оптически связанный со всеми имитаторами через плоское сканирующее зеркало с отражающим покрытием, совершающим движение по заданной программе с помощью привода, и включающий объектив и приемник излучения;- at least one comparing optical unit, optically coupled to all simulators through a flat scanning mirror with a reflective coating, moving in accordance with a given program using a drive, and including a lens and a radiation receiver;

- приемники излучения информационных оптических блоков среднего и дальнего инфракрасных диапазонов спектра охлаждаются с помощью системы охлаждения.- radiation receivers of information optical blocks of the middle and far infrared spectral ranges are cooled using a cooling system.

В предпочтительном варианте, сканирующее устройство дополнительно включает блоки радиометрической калибровки для информационных оптических блоков видимого и ближнего инфракрасных диапазонов спектра, каждый из которых содержит поворотное плоское зеркало, объектив, фильтр и стабилизированный источник излучения.In a preferred embodiment, the scanning device further includes radiometric calibration units for information optical units of the visible and near infrared spectral ranges, each of which contains a rotary flat mirror, a lens, a filter and a stabilized radiation source.

Имитаторы абсолютно черного тела на основе фазового перехода чистых металлов и эвтектических сплавов применяются в наземной термометрии и радиометрии и обладают уникальной воспроизводимостью радиометрических характеристик вследствие фундаментального свойства постоянства температуры фазового перехода. В устройстве имитаторы абсолютно черного тела на основе фазового перехода используются как высокостабильные источники излучения, позволяющие оценить изменение характеристик рабочих имитаторов абсолютно черного тела (основных), имеющих различные температуры: менее 300 К и более 300 К, и скорректировать выходные данные инфракрасных информационных каналов. Включение имитаторов абсолютно черного тела на основе фазового перехода осуществляется в специальных сеансах работы с требуемой периодичностью.Black body simulators based on the phase transition of pure metals and eutectic alloys are used in terrestrial thermometry and radiometry and have unique reproducibility of radiometric characteristics due to the fundamental property of constant phase transition temperature. In the device, absolutely black body simulators based on a phase transition are used as highly stable radiation sources that allow one to evaluate the change in the characteristics of the working absolutely black body simulators (basic) having different temperatures: less than 300 K and more than 300 K, and adjust the output data of infrared information channels. The inclusion of simulators of a completely black body based on a phase transition is carried out in special sessions with the required frequency.

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.The features and essence of the claimed invention are explained in the following detailed description, illustrated by the drawings, which show the following.

На фиг.1 - схема сканирующего устройства для дистанционного получения изображений в 4-х спектральных инфракрасных каналах, где:Figure 1 - diagram of a scanning device for remote imaging in 4 spectral infrared channels, where:

1 - плоское сканирующее зеркало с отражающим покрытием;1 - flat scanning mirror with a reflective coating;

2 - привод плоского сканирующего зеркала;2 - drive flat scanning mirrors;

3(1…4) - поворотное зеркало для каждого информационного оптического блока;3 (1 ... 4) - a rotary mirror for each information optical unit;

4(1…4) - фильтр для каждого информационного оптического блока, формирующий спектральный диапазон пропускания канала;4 (1 ... 4) - a filter for each information optical unit, forming the spectral bandwidth of the channel;

5(1…4) - объектив для каждого информационного оптического блока;5 (1 ... 4) - lens for each information optical unit;

6(1…4) - приемник излучения для каждого информационного оптического блока;6 (1 ... 4) - radiation receiver for each information optical unit;

7(1…4) - система охлаждения для каждого информационного оптического блока;7 (1 ... 4) - cooling system for each information optical unit;

8 - имитатор абсолютно черного тела с температурой более 300 К;8 - a simulator of a completely black body with a temperature of more than 300 K;

9(1…2) - имитатор абсолютно черного тела с температурой менее 300 К;9 (1 ... 2) - a simulator of a completely black body with a temperature of less than 300 K;

10(1…2) - имитатор абсолютно черного тела на основе фазового перехода чистых металлов и эвтектических сплавов;10 (1 ... 2) - a black body simulator based on the phase transition of pure metals and eutectic alloys;

11(1…2) - компарирующий оптический блок, включающий объектив и приемник излучения;11 (1 ... 2) - a comparing optical unit including a lens and a radiation receiver;

На фиг.2 - общий принцип действия сканирующего устройства для дистанционного получения изображений на примере одного канала, где:Figure 2 - the General principle of operation of the scanning device for remote image acquisition on the example of one channel, where:

1 - плоское сканирующее зеркало с отражающим покрытием;1 - flat scanning mirror with a reflective coating;

3 - поворотное зеркало информационного оптического блока;3 - a rotary mirror of the information optical unit;

4 - фильтр информационного оптического блока, формирующий спектральный диапазон пропускания канала;4 - filter information optical unit, forming the spectral bandwidth of the channel;

5 - объектив информационного оптического блока;5 - lens information optical unit;

6 - одно- или многоэлементный приемник излучения информационного оптического блока;6 - single or multiple detector radiation information optical unit;

8 - имитатор абсолютно черного тела с температурой более 300 К;8 - a simulator of a completely black body with a temperature of more than 300 K;

9 - имитатор абсолютно черного тела с температурой менее 300 К;9 - a simulator of a completely black body with a temperature of less than 300 K;

10 - имитатор абсолютно черного тела на основе фазового перехода чистых металлов и эвтектических сплавов;10 - a simulator of a completely black body based on a phase transition of pure metals and eutectic alloys;

11 - компарирующий оптический блок, включающий объектив и приемник излучения.11 is a comparing optical unit including a lens and a radiation receiver.

На фиг.3 представлен образец имитатора абсолютно черного тела (ИАЧТ) на фазовом переходе плавления галлия включающий: термометр сопротивления, ячейку Ga, апертурную диафрагму, теплообменник, излучающую полость и корпус.Figure 3 presents a sample of a simulator of a completely black body (IAHT) at a gallium melting phase transition including: a resistance thermometer, a Ga cell, an aperture diaphragm, a heat exchanger, a radiating cavity, and a housing.

Принцип работы заявленного сканирующего устройства для дистанционного получения изображений заключается в следующем.The principle of operation of the claimed scanning device for remote image acquisition is as follows.

В соответствии со схемой, приведенной на фигуре 1, устройство устанавливается на платформе космического аппарата и содержит плоское двустороннее сканирующее оптическое зеркало (1), совершающее круговое движение с помощью привода (2), четыре информационных оптических блока, радиометрическую систему бортовой калибровки, включающую горячий (более 300 К) имитатор абсолютно черного тела (8) и два холодных (менее 300 К) имитатора абсолютно черного тела (9), два эталонных имитатора абсолютно черного тела на основе фазового перехода (10) и компарирующий оптический блок (11). Холодные имитаторы (9) и оптические информационные блоки (3-7) расположены с двух сторон плоского двустороннего сканирующего зеркала (1).In accordance with the scheme shown in figure 1, the device is mounted on the platform of the spacecraft and contains a flat two-sided scanning optical mirror (1), making a circular motion using the drive (2), four information optical units, a radiometric on-board calibration system, including hot ( more than 300 K) an absolutely black body simulator (8) and two cold (less than 300 K) absolutely black body simulators (9), two reference absolutely black body simulators based on a phase transition (10) and comparing ptichesky unit (11). Cold imitators (9) and optical information blocks (3-7) are located on both sides of a flat two-sided scanning mirror (1).

Приемники излучения (6) каждого информационного оптического блока формируют изображение в соответствующем инфракрасном диапазоне спектра. Приемники излучения (6) информационных оптических блоков среднего и дальнего инфракрасных диапазонов спектра охлаждаются с помощью системы охлаждения (7). В процессе работы на выходе оптико-механической системы формируются видеосигналы, позволяющие получить изображения в спектральных диапазонах, например 3,5-4,1 мкм и 8,1-9,1 мкм. Вращение плоского сканирующего зеркала (1) оптико-механической системы, обеспечивается независимым приводом вращения (2) по заданной программе, причем ось вращения плоского сканирующего зеркала (1) совпадает с направлением движения космического аппарата. Разворот визирной оси с помощью плоского сканирующего зеркала (1) и движение самого космического аппарата позволяет осуществить непрерывную трассовую съемку в больших углах обзора (до 100°) и обеспечить полосу обзора вплоть до 2400 км. Использование двустороннего плоского сканирующего зеркала (1) позволяет снизить скорость вращения привода (2) в два раза и наиболее оптимально разместить все модули. Оптимальность компоновки обеспечивается также введением в информационные оптические блоки устройства поворотных плоских зеркал (3). Сканирующее устройство для дистанционного получения изображений также содержит систему радиометрической калибровки, которая осуществляется непосредственно в процессе эксплуатации. Система радиометрической калибровки состоит из блоков излучателей - имитаторов абсолютно черного тела (9) и (8), имеющих различные температуры: менее 300 К и более 300 К соответственно. Компарирующий оптический блок (11) обеспечивает сравнение температуры всех имитаторов абсолютно черного тела (8), (9) и (10). Радиометрическая калибровка информационных оптических блоков производится благодаря нагреваемому (горячему) имитатору абсолютно черного тела (8) (положение плоского сканирующего зеркала 1(1) на фиг.2) и пассивному (холодному) имитатору абсолютно черного тела (9) (положение плоского сканирующего зеркала 1 (V) на фиг.2). Компарирующий оптический блок (11) последовательно производит сравнение радиометрической температуры пассивного (холодного) имитатора абсолютно черного тела (9), имитатора абсолютно черного тела на основе фазового перехода (10), имеющего в своем составе среду, поддерживаемую в состоянии переходного агрегатного состояния, благодаря чему поддерживается температура с высокой точностью, и нагреваемого (горячего) имитатора абсолютно черного тела (8) (положения зеркала 1 (II), 1 (III), 1 (IV) соответственно на фиг.2), на основе чего производится математическая коррекция радиационных характеристик аппаратуры. Бортовые имитаторы (холодный и горячий) абсолютно черного тела (8) и (9) формируют стабильный опорный поток излучения, использование которого позволяет скорректировать свойственную приемникам излучения неравномерность чувствительности отдельных элементов и коэффициента передачи электронного тракта в аппаратуре. Бортовой имитатор абсолютно черного тела на основе фазового перехода (10) позволяет измерить изменения в процессе эксплуатации исходных свойств оптической системы и контролировать радиометрическую температуру горячего и холодного имитаторов (8) и (9) с высокой точностью.The radiation receivers (6) of each information optical unit form an image in the corresponding infrared range of the spectrum. The radiation receivers (6) of the information optical blocks of the middle and far infrared spectral ranges are cooled using a cooling system (7). In the process, at the output of the optical-mechanical system, video signals are formed that allow obtaining images in the spectral ranges, for example, 3.5–4.1 μm and 8.1–9.1 μm. The rotation of the flat scanning mirror (1) of the optical-mechanical system is ensured by an independent rotation drive (2) according to a given program, and the axis of rotation of the flat scanning mirror (1) coincides with the direction of motion of the spacecraft. The rotation of the line of sight with the help of a flat scanning mirror (1) and the movement of the spacecraft itself allows continuous line-of-sight shooting at large viewing angles (up to 100 °) and provide a viewing range of up to 2400 km. The use of a two-sided flat scanning mirror (1) allows to reduce the rotation speed of the drive (2) by half and to place all the modules in the most optimal way. The optimality of the layout is also ensured by the introduction of rotary flat mirrors (3) into the information optical units of the device. The scanning device for remote image acquisition also contains a radiometric calibration system, which is carried out directly during operation. The radiometric calibration system consists of emitter blocks - absolutely black body simulators (9) and (8) having different temperatures: less than 300 K and more than 300 K, respectively. Comparative optical unit (11) provides a comparison of the temperature of all simulators of an absolutely black body (8), (9) and (10). Radiometric calibration of information optical blocks is carried out thanks to a heated (hot) simulator of an absolutely black body (8) (position of a flat scanning mirror 1 (1) in Fig. 2) and a passive (cold) simulator of an absolutely black body (9) (position of a flat scanning mirror 1 (V) in FIG. 2). The comparing optical unit (11) sequentially compares the radiometric temperature of a passive (cold) absolutely black body simulator (9), an absolutely black body simulator based on a phase transition (10), which includes a medium maintained in a state of transitional aggregate state, due to which the temperature is maintained with high accuracy, and the heated (hot) simulator of an absolutely black body (8) (mirror positions 1 (II), 1 (III), 1 (IV), respectively, in Fig. 2), based on which mathematically sky correction of radiation characteristics of the equipment. On-board simulators (cold and hot) of an absolutely black body (8) and (9) form a stable reference radiation flux, the use of which allows one to correct the nonuniform sensitivity of individual elements and the transmission coefficient of the electronic path in the equipment, which is characteristic of radiation receivers. An onboard black body simulator based on a phase transition (10) allows one to measure changes during operation of the initial properties of the optical system and to control the radiometric temperature of hot and cold simulators (8) and (9) with high accuracy.

Поток излучения от исследуемой поверхности поступает на плоское сканирующее зеркало (1) с отражающим покрытием, вращающееся с помощью двигателя вращения - привода (2), вокруг оси совпадающей с направлением движения носителя (КА). Далее плоским сканирующим зеркалом излучение направляется в информационные оптические блоки, формирующие изображение. Поворотные плоские зеркала (3) информационных оптических блоков вводятся для уменьшения габаритов устройства. Использование в устройстве двустороннего плоского сканирующего зеркала (1) с отражающим покрытием повышает эффективность сканирования и снижает скорость вращения привода (2) в два раза.The radiation flux from the studied surface enters the flat scanning mirror (1) with a reflective coating, rotating with a rotation motor - drive (2), around an axis coinciding with the direction of motion of the carrier (SC). Then, the radiation is directed by a flat scanning mirror to the information optical blocks that form the image. Rotary flat mirrors (3) of information optical units are introduced to reduce the dimensions of the device. The use of a two-sided flat scanning mirror (1) with a reflective coating in the device increases the scanning efficiency and reduces the rotation speed of the drive (2) by half.

Устройство позволяет получить радиометрическую точность 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 - 0.5 К. Для радиометрической калибровки в устройство включены блоки калибровки, каждый из которых содержит имитатор абсолютно черного тела, формирующий эталонное излучение, температура блоков которых отличается на величину не менее 30°C и стабилизируется с точностью 0.1°C. Каждый блок радиометрической калибровки через плоское сканирующее зеркало оптически связан с одно- или многоэлементным приемником излучения только одного информационного канала.The device allows to obtain radiometric accuracy in the ranges of 10.5-11.5 and 11.5-12.5 μm not more than 0.1-0.2 K, and in the range 3.5-4.1 μm - 0.5 K. For radiometric calibration, calibration units are included in the device, each of which contains a black body simulator forming the reference radiation, the temperature of the blocks of which differs by at least 30 ° C and stabilizes with an accuracy of 0.1 ° C. Each radiometric calibration unit is optically coupled through a flat scanning mirror to a single or multi-element radiation detector of only one information channel.

Для формирования цифрового сигнала каждый приемник излучения дополнен электрическим блоком формирования и обработки видеосигнала, который включает блок питания, аналого-цифровой преобразователь, блок синхронизации, два оперативных запоминающих устройства, блок вычисления корректирующих коэффициентов и смещений и блок коррекции сигнала.To generate a digital signal, each radiation receiver is supplemented with an electric video signal generating and processing unit, which includes a power supply unit, an analog-to-digital converter, a synchronization unit, two random access memory devices, a unit for calculating correction factors and offsets, and a signal correction unit.

Бортовые излучатели (ИАЧТ) на фазовых переходах материалов используются для контроля изменения свойств оптической системы и свойств холодных и горячего имитаторов.Airborne emitters (AISI) at the phase transitions of materials are used to control changes in the properties of the optical system and the properties of cold and hot simulators.

Калибровка информационного сигнала проводится по следующей формуле:Calibration of the information signal is carried out according to the following formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

гдеWhere

i, j - номера элементов в строке и по кадру соответственно;i, j are the numbers of elements in the row and frame, respectively;

Uвых - откалиброванный сигнал на выходе блока обработки оптических сигналов;U o - calibrated signal at the output of the processing unit of the optical signals;

Ui,j - сигнал от приемников излучения после аналогового усилителя и АЦП;U i, j is the signal from the radiation receivers after the analog amplifier and ADC;

Figure 00000002
- усредненное значения сигнала, формируемого от АЧТ с температурой менее 300 К;
Figure 00000002
- the average value of the signal generated from the blackbody with a temperature of less than 300 K;

Figure 00000003
- усредненное значения сигнала, формируемого от АЧТ с температурой более 300 К;
Figure 00000003
- the average value of the signal generated from the blackbody with a temperature of more than 300 K;

Cгор - число уровней квантования, соответствующее уровню сигнала от АЧТ с температурой более 300 К (устанавливается на уровне -90% от максимума сигнала, например для 10-битного квантования Cгор≈900), значение побирается при наземной калибровке;C mountains - the number of quantization levels corresponding to the signal level from the blackbody with a temperature of more than 300 K (set at -90% of the signal maximum, for example, for 10-bit quantization of C mountains ≈900), the value is taken during ground calibration;

Cхол - число уровней квантования, соответствующее уровню сигнала от АЧТ с температурой менее 300 К (устанавливается на уровне<10% от максимума сигнала, например для 10-битного квантования Cхол≈30), значение побирается при наземной калибровке;C chole — the number of quantization levels corresponding to the signal level from the blackbody with a temperature of less than 300 K (set at <10% of the signal maximum, for example, for 10-bit quantization C chill ≈30), the value is taken during ground calibration;

В процессе эксплуатации значения

Figure 00000004
и
Figure 00000005
изменяются в результате деградации элементов оптической системы и электронного тракта из-за воздействия космического излучения.During operation, the values
Figure 00000004
and
Figure 00000005
change as a result of the degradation of the elements of the optical system and the electronic path due to the effects of cosmic radiation.

С помощью эталонного имитатора АЧТ на основе фазового перехода значения

Figure 00000004
и
Figure 00000005
уточняются в процессе эксплуатации:Using a reference blackbody simulator based on a phase transition of a value
Figure 00000004
and
Figure 00000005
are specified during operation:

Figure 00000006
Figure 00000006

Figure 00000007
Figure 00000007

где:Where:

U(Tхол) и U(Tгор) - уточненные значения сигналов от АЧТ с температурой менее 300 К и АЧТ с температурой более 300 К соответственно;U (Thol) and U (Tgor) - updated values of signals from the blackbody with a temperature of less than 300 K and the blackbody with a temperature of more than 300 K, respectively;

СЭТ - число уровней квантования, соответствующее уровню сигналу от эталонного имитатора, подбирается при наземной калибровке устройства;With ET - the number of quantization levels corresponding to the level of the signal from the reference simulator is selected during ground calibration of the device;

U'(Tгор), U'(TЭT) и U'(Tхол) - исходные значения сигналов от АЧТ с температурой более 300 К, АЧТ с температурой менее 300 К и эталонного АЧТ на основе фазового перехода соответственно, формируемые компаратором (поз.11, фиг.1), значения подбираются при наземной калибровке, точность данных значений подтверждается благодаря использованию высокоточных эталонных источников излучения;U ' (Thor) , U' (TET) and U ' (Thol) are the initial values of the signals from the blackbody with a temperature of more than 300 K, blackbody with a temperature of less than 300 K and the reference blackbody based on the phase transition, respectively, formed by the comparator (item 11 1), the values are selected during ground calibration, the accuracy of these values is confirmed through the use of high-precision reference radiation sources;

U”(Tгор), U”(TЭT) и U”(Tхол) - значения сигналов от АЧТ с температурой более 300 К. АЧТ с температурой менее 300 К и эталонного АЧТ на основе фазового перехода соответственно, формируемые компаратором(поз.11, фиг.1) в процессе эксплуатации аппаратуры.U ” (Tgor) , U” (TET) and U ” (Thol) are the values of signals from the blackbody with a temperature of more than 300 K. The blackbody with a temperature of less than 300 K and the reference blackbody based on the phase transition, respectively, formed by the comparator (pos. 11, figure 1) during operation of the equipment.

При описанной схеме удастся избежать искажений радиометрической информации как вследствие изменения свойств оптической системы, электронного тракта и АЧТ с температурами более 300 К и менее 300 К, так и изменений свойств компарирующей системы.With the described scheme, it will be possible to avoid distortion of radiometric information both due to changes in the properties of the optical system, electronic path, and blackbody with temperatures above 300 K and less than 300 K, as well as changes in the properties of the comparator system.

По результатам регистрации изменений климатических переменных можно судить о глобальных изменениях климата. В таблице 1 выборочно приведет-некоторые требования к долговременной стабильности, сформулированные специалистами NOAA, NIST, NPOESS-IPO и NASA. Требования, выраженные в % и К, относятся соответственно к спектральной области отраженного солнечного излучения (0.3-2.5 мкм) и инфракрасной области (3-14 мкм). Как следует из таблицы, требуемые значения лежат в пределах (0.1-1)%/десятилетие и (0.01-0.2)К/десятилетие. То есть при разработке бортовых устройств контроля стабильности в современной аппаратуре ДЗЗ нужно ориентироваться на наиболее высокие значения: 0.1 %/десятилетие и 0.01 К/десятилетие.The results of the registration of changes in climate variables can be used to judge global climate changes. Table 1 selectively leads — some of the long-term stability requirements formulated by NOAA, NIST, NPOESS-IPO, and NASA. The requirements, expressed in% and K, relate respectively to the spectral region of reflected solar radiation (0.3-2.5 microns) and infrared (3-14 microns). As follows from the table, the required values lie in the range of (0.1-1)% / decade and (0.01-0.2) K / decade. That is, when developing on-board stability control devices in modern remote sensing equipment, you need to focus on the highest values: 0.1% / decade and 0.01 K / decade.

Таблица 1Table 1 Требования к долговременной стабильности аппаратуры ДЗЗ при мониторинге глобальных изменений климатаRequirements for the long-term stability of remote sensing equipment when monitoring global climate change ПараметрParameter Требуемая радиометрическая стабильность (за десятилетие)Required radiometric stability (per decade) Высота нижней границы облачностиCloud cover height 0,2 К0.2 K Высота верхней границы облачностиThe height of the upper cloud cover 0,2 К0.2 K Давление на верхней границе облачностиOvercast Pressure 0,2 К0.2 K Температура на верхней границе облачностиTemperature at the top of the cloud 0,2 К0.2 K Оптическая толщина облачностиOptical Cloud Thickness 1%one% Тепловое излучение в узких спектральных зонахThermal radiation in narrow spectral zones 0,04 К0.04 K Температурный профиль атмосферыAtmospheric temperature profile 0,04 К0.04 K Профиль влажности атмосферыAtmospheric humidity profile 0,03 К0.03 K Озонный профильOzone profile 0,1%0.1% Альбедо поверхностиAlbedo surface 1%one% Нормированный дифференциальный вегетационный индексNormalized Differential Vegetation Index 0,8%0.8% Температура поверхности океанаOcean surface temperature 0,01 К0.01 K

Многолетняя практика работы аппаратуры ДЗЗ показывает, что изменение чувствительности аппаратуры ДЗЗ по различным оценкам составляет 4-25%, например, временной дрейф зафиксированный в тепловых каналах AVHRR -0.5 К/год. Это приводит к необходимости контроля характеристик аппаратуры на протяжении всего срока активного существования, что позволяет корректировать получаемые данные.Long-term practice of remote sensing equipment operation shows that the change in the sensitivity of remote sensing equipment according to various estimates is 4-25%, for example, the temporary drift recorded in the heat channels AVHRR -0.5 K / year. This leads to the need to control the characteristics of the equipment throughout the entire period of active existence, which allows you to adjust the received data.

Однако при существующих методах контроля требуемая радиометрическая точность не обеспечивается и фактически на порядок и более ниже необходимой точности, что приводит к искажению получаемых данных. Это связано:However, with existing control methods, the required radiometric accuracy is not ensured and is actually an order of magnitude or more lower than the required accuracy, which leads to a distortion of the data obtained. It's connected:

- с изменением чувствительности оптического тракта аппаратуры как в процессе вывода космического аппарата на орбиту, так и под действием различных факторов в процессе космического полета,- with a change in the sensitivity of the optical path of the equipment both in the process of putting the spacecraft into orbit, and under the influence of various factors in the process of space flight,

-с временным изменением излучательной способности бортовых источников излучения.-with a temporary change in the emissivity of airborne radiation sources.

Контроль же стабильности аппаратуры на заданном уровне по земным тестовым участкам дает еще большую погрешность из-за проблем столь точного учета параметров атмосферы и излучательной способности тестовых объектов.Controlling the stability of the equipment at a given level over the earth’s test plots gives an even greater error due to the problems of such accurate accounting of atmospheric parameters and the emissivity of test objects.

Таким образом, ужесточение требований к получаемой информации с одной стороны и увеличение срока активной эксплуатации аппаратуры ДЗЗ (до 7-10 лет) с другой стороны требуют поиска новых решений контроля радиометрических параметров.Thus, stricter requirements for the information received on the one hand and an increase in the period of active use of remote sensing equipment (up to 7-10 years) on the other hand require the search for new solutions to control radiometric parameters.

Данные ИАЧТ на основе фазового перехода применяются в наземной термометрии и радиометрии и обладают воспроизводимостью радиометрических характеристик, не имеющей тенденций к изменению со временем вследствие фундаментального свойства постоянства температуры фазового перехода.Phase transition-based IATI data are used in terrestrial thermometry and radiometry and have reproducibility of radiometric characteristics that have no tendency to change with time due to the fundamental property of constant phase transition temperature.

Некоторые материалы, фазовый переход которых возможно использовать в качестве реперных точек калибровки, и температуры переходов представлены в таблице 2.Some materials whose phase transition can be used as reference calibration points and transition temperatures are presented in Table 2.

Таблица 2table 2 Вещества, пригодные для использования в качестве реперных точек на основе фазового перехода плавления/затвердевания.Substances suitable for use as reference points based on the melting / solidification phase transition. Материал (металл или эвтектический сплав)Material (metal or eutectic alloy) Температура фазового перехода, КPhase transition temperature, K GaGa 302,91302.91 Ga-CdGa-cd 302,55302.55 Ga-AlGa-al 300,08300.08 Ga-ZnGa-zn 298,35298.35 Ga-SnGa-sn 293,63293.63 Ga-InGa-in 288,80288.80 Ga-In-SnGa-in-sn 283,96283.96

Примерные габариты ИАЧТ на основе фазового перехода в зависимости от диаметра излучающей поверхности представлены в таблице 3.The approximate dimensions of the AECI based on the phase transition depending on the diameter of the radiating surface are presented in table 3.

Таблица 3Table 3 Базовые размеры ИАЧТ на основе фазового перехода.The basic dimensions of the AHI based on a phase transition. Диаметр излучающей поверхности, ммDiameter of the radiating surface, mm Длина полости с материалом, претерпевающим фазовый переход, ммThe length of the cavity with the material undergoing a phase transition, mm 55 4040 1010 8080 15fifteen 120120 20twenty 155155

Применение имитаторов черных тел на основе фазовых переходов в составе радиометрического оборудования для дистанционного зондирования Земли позволит качественно увеличить точность данных радиометрии и срок службы аппаратуры вследствие увеличения температурной стабильности во времени бортовых эталонных источников излучения.The use of blackbody simulators based on phase transitions as part of radiometric equipment for remote sensing of the Earth will make it possible to qualitatively increase the accuracy of radiometry data and the service life of the equipment due to increased temperature stability over time of on-board reference radiation sources.

Наземные испытания образца имитаторов абсолютно черного тела на фазовых переходах показали на порядок более высокую стабильность формируемого излучения, которая значительно превосходит требуемую [1].Ground tests of a sample of absolutely blackbody simulators at phase transitions showed an order of magnitude higher stability of the generated radiation, which significantly exceeds the required [1].

Изобретение позволяет повысить радиометрическую точность сканирующей аппаратуры и может быть реализовано в устройствах, обеспечивающих получение гидрометеорологической и природоресурсной информации, а так же мониторинг тепловых аномалий естественного и техногенного характера.The invention improves the radiometric accuracy of the scanning equipment and can be implemented in devices that provide hydrometeorological and environmental information, as well as monitoring thermal anomalies of a natural and technogenic nature.

Литература

Figure 00000008
Literature
Figure 00000008

Claims (2)

1. Сканирующее устройство для дистанционного получения изображений включает:
как минимум одну оптико-механическую систему, каждая из которых содержит:
- плоское сканирующее зеркало с отражающим покрытием, совершающее движение по заданной программе с помощью привода;
- N информационных оптических блоков оптического диапазона спектра, где N - целое число ≥1;
- при этом каждый информационный оптический блок включает последовательно установленные и оптически связанные поворотное плоское зеркало, фильтр, формирующий спектральный диапазон пропускания канала, объектив и одно- или многоэлементный приемник излучения;
- блоки радиометрической калибровки для информационных оптических блоков среднего и дальнего инфракрасных диапазонов спектра, каждый из которых содержит имитаторы абсолютно черного тела, имеющие различные температуры: менее 300 К и более 300 К, значение и стабилизация которых достигается с помощью регулируемого нагревательного элемента;
- блоки радиометрической калибровки оптически связаны информационными оптическими блоками через плоское сканирующее зеркало и поворотные плоские зеркала информационных оптических блоков;
- компарирующий оптический блок, формирующий изображение в среднем или дальнем инфракрасном диапазоне спектра, включающий объектив и приемник излучения, последовательно оптически связанный со всеми имитаторами через плоское сканирующее зеркало;
- имитаторы абсолютно черного тела на основе фазового перехода чистых металлов и эвтектических сплавов для контроля имитаторов абсолютно черного тела, имеющих различные температуры: менее 300 К и более 300 К, и оптически связанные с ними через плоское сканирующее зеркало с отражающим покрытием, совершающее движение по заданной программе с помощью привода;
- приемники излучения информационных оптических блоков среднего и дальнего инфракрасных диапазонов спектра охлаждаются с помощью системы охлаждения.
1. Scanning device for remote image acquisition includes:
at least one optical-mechanical system, each of which contains:
- a flat scanning mirror with a reflective coating, making a movement according to a given program using a drive;
- N information optical blocks of the optical range of the spectrum, where N is an integer ≥1;
- in this case, each information optical unit includes a series-mounted and optically coupled rotary flat mirror, a filter that forms the spectral bandwidth of the channel, a lens and a single or multi-element radiation receiver;
- radiometric calibration blocks for information optical blocks of the middle and far infrared ranges of the spectrum, each of which contains absolutely black body simulators having different temperatures: less than 300 K and more than 300 K, the value and stabilization of which is achieved using an adjustable heating element;
- radiometric calibration blocks are optically connected by information optical blocks through a flat scanning mirror and rotary flat mirrors of information optical blocks;
- a comparing optical unit forming an image in the middle or far infrared range of the spectrum, including a lens and a radiation receiver, sequentially optically connected to all simulators through a flat scanning mirror;
- black body simulators based on the phase transition of pure metals and eutectic alloys for monitoring black body simulators having different temperatures: less than 300 K and more than 300 K, and optically coupled through a flat scanning mirror with a reflective coating, moving at a given program using the drive;
- radiation receivers of information optical blocks of the middle and far infrared spectral ranges are cooled using a cooling system.
2. Сканирующее устройство по п.1, дополнительно включает блоки радиометрической калибровки для информационных оптических блоков видимого и ближнего инфракрасных диапазонов спектра, каждый из которых содержит объектив, фильтр, стабилизированный источник излучения. 2. The scanning device according to claim 1, further includes radiometric calibration blocks for information optical blocks of the visible and near infrared spectral ranges, each of which contains a lens, a filter, and a stabilized radiation source.
RU2012114955/28A 2012-04-17 2012-04-17 Scanning device for remote image capturing RU2498365C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012114955/28A RU2498365C1 (en) 2012-04-17 2012-04-17 Scanning device for remote image capturing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012114955/28A RU2498365C1 (en) 2012-04-17 2012-04-17 Scanning device for remote image capturing

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2498365C1 true RU2498365C1 (en) 2013-11-10

Family

ID=49683320

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012114955/28A RU2498365C1 (en) 2012-04-17 2012-04-17 Scanning device for remote image capturing

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2498365C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2654300C1 (en) * 2016-11-14 2018-05-17 Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") Multi-zone scanning device with a matrix photodetector device
CN112212982A (en) * 2020-11-06 2021-01-12 核工业理化工程研究院 Calibration system of temperature measuring device for side wall of rotor of cylindrical rotating machine

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4982092A (en) * 1973-07-05 1991-01-01 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy 360 Degree optical surveillance system
CN2395290Y (en) * 1999-11-30 2000-09-06 王宝根 Infrared multiple spectrum scanning thermal image system
RU2306583C1 (en) * 2005-12-12 2007-09-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения" Multi-zone scanning device for remote generation of images in wide angle of observation

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4982092A (en) * 1973-07-05 1991-01-01 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy 360 Degree optical surveillance system
CN2395290Y (en) * 1999-11-30 2000-09-06 王宝根 Infrared multiple spectrum scanning thermal image system
RU2306583C1 (en) * 2005-12-12 2007-09-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения" Multi-zone scanning device for remote generation of images in wide angle of observation

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2654300C1 (en) * 2016-11-14 2018-05-17 Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") Multi-zone scanning device with a matrix photodetector device
CN112212982A (en) * 2020-11-06 2021-01-12 核工业理化工程研究院 Calibration system of temperature measuring device for side wall of rotor of cylindrical rotating machine

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kandori et al. Near-infrared imaging survey of Bok Globules: density structure
Vogt et al. APF—the lick observatory automated planet finder
Coppo et al. SLSTR: a high accuracy dual scan temperature radiometer for sea and land surface monitoring from space
Oudrari et al. Prelaunch radiometric characterization and calibration of the S-NPP VIIRS sensor
Simcoe et al. Background-limited imaging in the near infrared with warm ingaas sensors: Applications for time-domain astronomy
Edgington et al. Design, calibration, and on-orbit testing of the geostationary lightning mapper on the GOES-R series weather satellite
Coppo et al. Sea and Land Surface Temperature Radiometer detection assembly design and performance
Montanaro et al. Performance of the Thermal Infrared Sensor on-board Landsat 8 over the first year on-orbit
Adams et al. The infrared camera onboard JEM-EUSO
RU2498365C1 (en) Scanning device for remote image capturing
De Los Ríos et al. The infrared camera prototype characterization for the JEM-EUSO space mission
Wang et al. On-orbit calibration and characterization of GOES-17 ABI IR bands under dynamic thermal condition
Smith et al. Calibration approach and plan for the sea and land surface temperature radiometer
Pagano et al. Ambient performance testing of the CubeSat infrared atmospheric sounder (CIRAS)
US9745059B2 (en) System to adapt an optical device to calculate a condition value
Coppo et al. Sea and Land Surface Temperature Radiometer on Sentinel‐3
Barsi et al. Early radiometric performance of landsat-9 thermal infrared sensor
Mignani et al. Search for the Optical Counterpart of the Nearby Pulsar PSR J0108–1431
Xiong et al. On-orbit calibration and performance assessments of Terra and Aqua MODIS thermal emissive bands
Tanaka et al. The development status of Second Generation Global Imager (SGLI), Infrared Scanning Radiometer (SGLI-IRS)
Black et al. RVS uncooled sensor development for tactical applications
Kopp et al. First results from the hyperspectral imager for climate science (HySICS)
Albiñana et al. The multi-spectral imager on board the EarthCARE spacecraft
Pan et al. Suomi national polar-orbiting partnership ozone mapping profiler suite nadir instruments in-flight performance
Pili et al. The in-orbit performance of the meteosat second generation SEVIRI instruments