1.2. 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:

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

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.

Спектральные приборы дистанционного контроля

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

Тип прибора	Диспергиру­ющий эле­мент	Скорость спектраль­ного ска­нирования	Спектраль­ное разреше­ние	Механическая проч­ность	Чувстви­тельность	Особенно­сти
Прибор с интерфе­рометром	Структура пластины интерферометра	Средняя	Очень высо­кое	Очень хрупкая	Средняя	Необходи­мо преоб­разование Фурье
Прибор с дисперги­рующей призмой	Призма, изготовлен­ная из про­пускающего материала	Высокая	Среднее	Средняя	Средняя	Неудоб­ство: много дисперги-рующих элементов
Прибор с дифракци­онной решеткой	Отражатель­ная или пропускаю-щая дифракцион­ная решетка	Низкая	Высокое	Хрупкая	Высокая	Необходи­ма сорти ровка по­рядков
Тип прибора	Диспергиру­ющий эле­мент	Скорость спектраль­ного ска­нирования	Спектраль­ное разреше­ние	Механическая проч­ность	Чувстви­тельность	Особенно­сти
Прибор с интерфе­ренционным фильтром	Изменяюща­яся интерфе­ренция	Высокая	Низкое	Прочная	Высокая	Тоже

Тепловизионные приборы дистанционного контроля

Примером систем дистанционного контроля, формирующих изображение, являются тепловизионные системы. Тепловизионные системы предназначены для создания видимого аналога теплового изображения. В них происходит преобразование оптического изображе­ния, полученного в ИК-области спектра, в адекватное изображение в видимой области.

Отметим особенности тепловых изображений, т. е. изображений, полученных в ИК-области спектра. Распределение контрастов в тепловом изображении (в ИК-области спектра) может существенно отличаться от соответствующего распределения в видимом изображе­нии. Если в видимой области спектра распределение контрастов обусловлено различиями в отражательной способности природных образований, то в ИК-области это распределение обусловлено также (или главным образом) различиями в их излучательной способности. Поэтому тепловое изображение не имеет теней. Поскольку в тепловом изображении фикси­руется различие в излучательных способностях, то возможно обнаружение объектов, имею­щих одинаковую температуру, но различные коэффициенты излучения.

Рис. 6. Принципиальная схема ИК-радиометра

Принципиальная схема ИК-радиометра приведена на рис. 6. В состав радиометра вхо­дят следующие основные элементы:

• приемник излучения (ПИ);

• эталонный источник излучения (абсолютно черное тело (АЧТ));

• модулятор, осуществляющий (с помощью двигателя) попеременное облучение чувствительной площадки приемника внешним или эталонным источниками;

• электронная схема (усилитель на рис. 6), преобразующая и усиливающая электри­ческий сигнал с выхода приемника;

• измерительное устройство.

Различают тепловизионные системы:

1) без сканирования, системы с фотоэлектронным сканированием;

2) системы с оптико-механическим сканированием.

Современные тепловизионные системы с оптико-механическим сканированием име­ют частоту сканирования, соизмеримую с частотой сканирования в телевизионных системах.

Функциональная схема тепловизионной системы с оптико-механическим сканирова­нием представлена на рис. 7.

Из тепловизионных систем наиболее известны пятиканальный радиометр AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), устанавливаемый на американских метеороло­гических спутниках "NOAA"; датчик ATSR (Along Track Scanning Radiometer) спутников "ERS", а также многоканальный сканер с конической разверткой МСУ-СК, используемый на российских спутниках "Ресурс" и "Океан-0".

В тепловизионных системах для исследования природных ресурсов с одноэлемент­ным сканированием наиболее часто применяется построчно-прямолинейная траектория ска­нирования, причем для развертки вдоль траектории полета (по кадру) используется собствен­ное движение ЛА, а развертка в перпендикулярном направлении (по строке) осуществляется с помощью оптико-механических дефлекторов. Такие системы по принципу построения ана­логичны однострочным телевизионным системам. В схеме тепловизионной системы с одноэлементным сканированием, приведенной на рис. 8, в качестве дефлектора использова­но плоское качающееся зеркало 2, расположенное в сходящемся пучке лучей за объективом 1.3 - приемник излучений. Примером такой тепловизионной системы является радиометр AVHRR, в котором используется линейное сканирование (рис. 9).

Рис. 9. Сканирующий ИК-радиометр AVHRR с линейной механической разверткой

Приведем основные технические характеристики датчика ATSR, который имеет наи­лучшие метрологические характеристики из всех упомянутых ИК-радиометров. Датчик ATSR состоит из двух приборов: ПК-радиометра (Infra-Red Radiometer - IRR) и микроволно­вого радиометра (Microwave Sounder - MWR).

Радиометр IRR разработан и создан консорциумом из нескольких лабораторий: Резерфордовской лабораторией прикладной физики, Оксфордским университетом, Метеорологи­ческой службой Великобритании, CSIRO из Австралии. Главной целью создания IRR являет­ся прецизионное измерение глобальной температуры морской поверхности. Абсолютная точность измерения температуры составляет 0,5 К при усреднении по пространству в 50x50 км и при условии, что хотя бы 20 % наблюдаемой территории свободны от облаков. Для сво­бодных от облачности участков относительная точность составляет 0,1 К при элементе раз­решения 1×1 км.

Для достижения таких показателей IRR был сконструирован как радиометр получе­ния изображений с четырьмя параллельными спектральными каналами, имеющими длины волн 1,6; 3,7; 10,8 и 12 мкм, формируемыми раздельными лучами и многослойными интер­ференционными фильтрами.

Мгновенное поле зрения прибора, при обзоре в надир, имеет размеры 1 × 1 км и фор­мируется как изображение на детекторах после параболического зеркала. Для уменьшения собственных шумов детекторы, размещенные в фокальной плоскости, охлаждены до 80 К охладителем Стирлинга.

Область одновременного обзора перемещается по поверхности Земли через поворот плоскости зеркала таким образом, что это дает два направления обзора: надирное с углом па­дения 0º и переднее с углом падения 55º.Такой угол выбран не случайно, поскольку при нем расстояние визирования в надир и вперед по полету отличается ровно в два раза

Сканирующее зеркало отклоняется на максимальный угол 23,45º от вертикали. Номи­нальная ширина полосы обзора составляет 500 км, при этом передний и надирный сканы раз­несены на 900 км вдоль трассы. Подобная геометрия обеспечивает просмотр одного и того же элемента на подстилающей поверхности под двумя различными углами, что позволяет одновременно использовать и многоканальную и многоугловую методики восстановления температуры поверхности моря. Период сканирования составляет 150 мс, а каждый скан со­стоит из 2000 пикселей. Для калибровки каналов в течение каждого периода сканирования в IRR формируются сигналы, соответствующие температурам двух бортовых черных тел (од­ного холодного и одного горячего). После сжатия данных на борту пакет из 960 пикселей передается на Землю вместе со служебными данными.

Только 3 канала из 4-х могут работать одновременно (каналы 12 мкм и 10,8 мкм рабо­тают постоянно). Переключение между каналами 1,6 мкм и 3,7 мкм происходит автоматиче­ски по уровню отраженного ИК-излучения.

Основной задачей микроволнового датчика MWR является измерение влагосодержания в атмосфере (как испарений, так и в жидком виде) для использования в расчетах наибо­лее неизученной части задержки сигналов спутникового альтиметра. MWR имеет два канала, работающих на частотах 23,8 и 36,5 ГГц, каждый с шириной полосы 400 МГц.

В ИК-радиометре датчика ATSR-2, установленного на борту спутника ERS-2, допол­нительно добавлены 3 канала видимого диапазона с длинами волн 0,555; 0,669 и 0,865 мкм. Эти каналы калибруются с использованием новой системы по рассеянному солнечному све­ту один раз за виток. Точность радиометрической калибровки видимых каналов составляет 2 % и отношение сигнал-шум равно 20 для 20 % альбедо.