Спектральные приборы дистанционного контроля

Принципы построения пассивных оптико-электронных приборов дистанци­онного контроля окружающей среды

Приборы, используемые в дистанционном контроле окружающей среды, делятся на две обширные группы:

1) системы получения спектральных данных - не формируют изображения, а дают детальную спектральную информацию об объекте. Системы спектральных данных получают информацию путем спектрального сканирования;

2) системы, формирующие изображение - дают информацию о пространственной структуре объекта и некоторую спектральную информацию. При пространственном сканиро­вании формируется изображение.

Системы, формирующие изображение, бывают двух типов:

2.1) кадровые. В кадровых системах элементы изображения, или пикселы (pixels), по­лучаются одновременно в основной единице изображения – кадре;

2.2) сканирующие. В сканирующих системах элементы изображения получаются по­следовательно и после получения могут быть переведены в формат кадра.

Оба типа таких систем дают спектральную информацию, создавая многоспектральные элементы изображения, состоящие из набора измерений в выбранных диапазонах длин волн спектра.

К числу часто встречающихся особенностей спектральных измерений для задачи ис­следования природных ресурсов с борта ЛА и вытекающих из них требований к аппаратуре для этих измерений относятся:

1) необходимость практически одновременного получения информации о спектре из­лучения исследуемого объекта в нескольких спектральных диапазонах с высоким спектраль­ным разрешением;

2) измерение спектральной интенсивности излучения в средней и длинноволновой ча­стях ИК-области спектра, где абсолютные величины сигналов очень малы;

3) жесткие эксплуатационные требования - стабильность и жесткость конструкции, уменьшение габаритов, массы и потребляемой мощности, особенности установки прибора на борту ЛА и др.

Структурная схема типового бортового автоматического спектрорадиометра приведе­на на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема бортового автоматического спектрорадиометра

Поток (например, от исследуемой земной или морской подстилающей поверхности) проходит через оптическую систему 1 измерительного канала и поступает на модулятор 4. Поток от опорного излучателя 2 проходит через оптическую систему 3 опорного канала и по­ступает также на модулятор 4. Выходящий из модулятора 4 промодулированный поток попа­дает на входную щель монохроматора 5, расположенную в фокальной плоскости оптических систем 1 и 3. Монохроматор разлагает поступающий на него поток в спектр. С помощью программного устройства 8 и привода 9 осуществляется сканирование этого спектра. Прохо­дящее через выходную щель монохроматора излучение попадает на чувствительную пло­щадку приемника излучения 6. Затем электрический сигнал поступает на вход электронного канала 7, где происходит его усиление, предварительная и тематическая обработка.

В настоящее время разработано большое число бортовых спектральных приборов, в которых разложение в спектр регистрируемого полихроматического потока излучения может осуществляться интерферометром, диспергирующей призмой, дифракционной решеткой или набором переключающихся узкополосных интерференционных фильтров. Рассмотрим неко­торые из них.

Приборы с интерференционными фильтрами. В таких приборах в качестве основ­ных диспергирующих элементов используются интерференционные фильтры. Интерферен­ционный фильтр - это многослойная диэлектрическая структура, через которую проходит из­лучение. В результате многократных отражений и пропусканий возникает явление интерфе­ренции. Только одна спектральная полоса, соответствующая определенной длине волны, ин­терферирует с усилением и поэтому проходит эту многослойную структуру без существен­ного ослабления. Схематически этот процесс изображен на рис. 2.

Рис. 3. Конический интерференционный фильтр

Длина волны, способной пройти через интерференционный фильтр, зависит от тол­щины диэлектрических слоев. Поэтому, чтобы сделать регулируемый диспергирующий эле­мент, удобно использовать конический интерференционный фильтр, как показано на рис. 3. Вместо того чтобы применять щели, определяющие кратные длины волн, как показано на ри­сунке, можно поставить перед входной щелью детектора прибора такой фильтр и изменять его положение относительно щели, чтобы выделить из приходящего потока излучения спек­тральную компоненту.

На рис. 4 представлена упрощенная функциональная блок-схема прибора МСУ-СК (многоканальное сканирующее устройство среднего разрешения с конической разверткой), в котором в качестве диспергирующих элементов используются интерференционные фильтры. МСУ-СК является оптико-механическим сканером среднего разрешения с конической раз­верткой. Излучение от подстилающей поверхности под углом 39º к вертикали собирается сферическим зеркалом 7 и направляется в одну из четырех оптических ветвей 2, расположен­ных на вращающемся вокруг вертикальной оси сканирующем устройстве 3. В оптической ветви поток излучения с помощью ряда оптических узлов фокусируется, затем из него выде­ляется поток, соответствующий одному телевизионному элементу, и направляется к оси вра­щения сканирующего устройства, преломляется и далее расщепляется в спектроделительной системе 4. Фотоприемник 5 преобразует поток излучения в видеосигнал, который после фор­мирования в усилителях 6 поступает на выход прибора. Спектральная чувствительность I -IV каналов МСУ-СК приведена на рис. 5.

Прибор МСУ-СК входит в состав бортовой аппаратуры космического аппарата "Ресурс-01". Приборы МСУ-Э (многоканальное сканирующее устройство высокого разрешения), МСУ-С (многоканальное сканирующее устройство среднего разрешения), МСУ-М (многоканальное сканирующее устройство малого разрешения), также использую­щие в качестве диспергирующих элементов интерференционные фильтры, входят в состав бортовой аппаратуры космических аппаратов "Ресурс-02", "Океан-01", "Океан-0".

В табл. 1 приведена краткая характеристика приборов с различными диспергирующи­ми элементами.

Таблица 1.

Краткая характеристика приборов с различными диспергирующими элементами