Технические аспекты исследования параметров статического Фурье-видеоспектрометра дистанционного зондирования Земли

Размещено на http://allbest.ru

¹Белорусский национальный технический университет (БНТУ^).

²ОАО «Пеленг»,

Технические аспекты исследования параметров статического Фурье-видеоспектрометра дистанционного зондирования Земли

¹Н.К. Артюхина

²М.Н. Котов

г. Минск, РБ

Создание и использование видеоспектрометров (ВС), предназначенных для работы на борту космического аппарата (КА) и способных обеспечить наблюдение территорий с высоким спектральным разрешением - одна из тенденций развития современных систем дистанционного зондирования

Земли (ДЗЗ) из космоса, что подтверждается многочисленными публикациями, тематическими конференциями, а также содержанием космических программ различных государств и международных агентств. Требования потребителей к космическим снимкам земной поверхности постоянно изменяются в сторону повышения их информативности.

В настоящее время в связи с увеличением быстродействия матричных фотоприемников и бортовой электроники возрос интерес к разработке спектральной аппаратуры ДЗЗ на основе статического Фурье-видеоспектрометра (СФВС) [1, 2]. Она обладает существенными преимуществами перед остальными [3, 4].

Основа Фурье-спектроскопии [4] представлена уравнением:

,(1)

где i(у) - спектральная плотность излучения; I_инт - интенсивность первичной волны в одном из плеч интерферометра; L - оптическая разность хода двух интерферирующих пучков. Зная зависимость интенсивности I_инт (L) в интерферограмме, при помощи формулы (1) можно получить информацию о спектральном составе излучения.

В Фурье-спектроскопии можно выделить два этапа: создание интерферограммы исследуемого излучения с помощью двухлучевого интерферометра; получение информации о спектре путем компьютерной обработки интерферограммы.

В СФВС интерферограмма образуется и регистрируется на светочувствительном матричном фотоприемнике в виде неподвижных интерференционных изображений.

В настоящей работе представлено исследование характеристик изображения СФВС в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах путем макетирования для подтверждения верности построенной математической модели [5], служащей для проведения расчетов и оптимизации энергетических, изображающих, точностных характеристик и параметров съемки, а также практической отработки технологии производства и алгоритмов восстановления спектров СВФС ДЗЗ из космоса.

Макет СФВС представляет собой прибор, позволяющий отработать основные схемно-технические решения, провести экспериментальную отработку изображающего СФВС в видимом и ИК диапазоне.

Работы по созданию макета видеоспектрометра ДЗЗ выполнялись в ОАО «Пеленг». Структурная схема макета СФВС представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема макета СФВС

Излучение от источника света 1 освещает тест-объект 2, находящийся в фокальной плоскости объектива коллиматора 3, который имеет фокусное расстояние f'_к= 650 мм и поле зрения 2щ_к=2,5^о.

В фокальной плоскости установлена круглая диафрагма, имитирующая протяженный источник света. Для равномерного освещения диафрагмы использовано матовое стекло.

Далее излучение направляется на интерферометр, построенный по схеме интерферометра Саньяка (стеклянная призма).

С помощью объектива 6 изображение тест-объекта 2 фокусируется на матричном фотоприемнике 7.

Макет СФВС устанавливается на поворотный столик, который служит для полного использования поля зрения и имитации движения прибора ДЗЗ по орбите относительно снимаемой сцены с целью формирования полной интерферограммы. матричный фотоприемник космический снимок

Он обеспечивает точность установки углового положения 10”, в то время как предельное значение для смещения изображения на 1 пиксель составляет в макете 20”.Внешний вид макета Фурье-видеоспектрометра представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 - Внешний вид макета Фурье-видеоспектрометра

Основные технические характеристики макета следующие:

- рабочий спектральный диапазон, мкм: 0,4-1,0.

- фокусное расстояние объектива, мм: 100;

- относительное отверстие объектива: 1:3;

- угловое поле зрения 2щ, градусы: 5;

- приращение фазы Фурье-спектрометра в фокальной плоскости, нм/пикс: 29,38.

При настройке и определении характеристик макета СФВС, а также для отработки алгоритма восстановления спектра объектов по интерферограмме в качестве спектральных тест-объектов были использованы стандартные светофильтры с известными характеристиками пропускания.

На рисунке 3 представлены интерферограммы равномерных источников с различными спектральными составами излучения.

Рисунок 3 - Интерферограммы источников с различным спектральным составом излучения

Для восстановления спектра объекта наблюдения из изображения интерферограммы выбрана 1 строка, содержащая ее профиль. Уровень сигнала в краевой зоне интерферограммы падает (рисунок 4, а) по причине срезания пучков лучей, падающих на входную грань интерферометра под углами, большими расчетных.

Для выравнивания уровня вычисляется усредненный по большому числу пикселей профиль интерферограммы, который используется для корректировки (рисунок 4, б).

Рисунок 4 - Профиль интерферограммы до (а) и после (б) выравнивания

При этом использовался алгоритм, основанный на быстром преобразовании Фурье, получены соответствующие восстановленные графики спектра.

Определение частотно-контрастных характеристик СВФС, проводилось по статической интерферограмме тест-объекта стандартной прямоугольной миры для различных пространственных частот объекта и в различных участках интерферограммы.

Полученные данные показывают, что с уменьшением пространственной частоты сокращается разность между значениями контраста изображения в центральной и краевой зонах интерферограммы.

При освещении тест-объекта источником света в широком спектральном диапазоне контраст изображения на частоте Найквиста равен 0,31 в центральной части интерферограммы и 0,2 в краевой, а на частоте Ѕ от частоты Найквиста: 0,48 и 0,42 соответственно.

Также обработка краевой зоны интерферограммы в случае широкого спектра приводит лишь к накоплению шумовой составляющей по причине отсутствия когерентности естественного излучения.

Измерение отношения сигнал шум проводилось при съемке равномерного по полю источника света.

В таблице 1 представлены измеренные значения величины отношения сигнал/шум в различных зонах интерферограммы при наблюдении источника, сформированного фильтром ПС-7.для спектра, формируемого фильтром ПС-7.

Таблица 1. Отношение сигнал/шум для спектра, формируемого фильтром ПС-7

Отметим, некоторые особенности исследования макета.

1. Имеет место наклон полос по отношения к столбцам ФП; явление вызвано клиновидностью призмы и не приводит к существенным трудностям. Для устранения его влияния была определена величина угла наклона полос и в алгоритм введена соответствующая поправка в значение приращения разности хода на 1 пиксель.

2. При измерении спектров узких светофильтров выявлено смещение до 5-10 нм максимумов спектральных характеристик по сравнению с теоретическим положением, что можно объяснить влиянием дисперсии материала призмы на приращение разности хода на 1 пиксель, т.е. шаг дискретизации интерферограммы на различных длинах волн.

3. Расчет по числу интерференционных полос показал различные значения приращения разности хода. В соответствии с этим была построена калибровочная кривая, которая использовалась для корректировки алгоритма.

Сравнение данных полученных при макетировании и моделировании показывает, что информативность изображении по таким критериям как отношение сигнал/шум и значение функции передачи модуляции в целом совпадают.

При исследовании данных с макета СФВС проводилось энергетическое выравнивание спектра из-за наличия виньетирования в оптической схеме макета. Для калибровки СВФС необходимо было учитывать влияние дисперсии материала призмы интерферометра на приращение разности хода.

По результатам математического моделирования и макетирования можно выделить следующие направления дальнейших исследований:

- в части элементной базы: подбор ФП с более равномерной характеристикой спектральной чувствительности в рабочем спектральном диапазоне;

- в части математического моделирования: уточнение энергетических расчетов, определение предельных характеристик;

- в части макетирования СФВС: разработка и практическая отработка алгоритма формирования гиперспектрального параллелепипеда.

Литература

1. Мальцев Г.Н., Козинов И.А., Данилкин А.П. Космические системы и технологии многоспектрального дистанционного зондирования Земли. Информация и космос. 2010. - №1. - С. 148-158.

2. Горбунов Г.Г.и др. Гиперспектральная аппаратура для дистанционного зондирования Земли// Оптический журнал. - 2009. - №10. - С. 75-82.

3. Тонков М.В. Фурье-спектроскопия - максимум информации за минимум времени. Соровский образовательный журнал, т.7, №1, 2001. - с. 83 - 88.

4. Р. Дж. Белл. Введение в фурье-спектроскопию / Пер. с англ. - М.: Мир, 1972. - 380 с.

5. Артюхина Н.К., Климович Т.В., Котов М.Н. Математическое моделирование

6. Фурье-видеоспектрометра // Приборы и методы измерений №1(4) 2012 г. / Минск: БНТУ, 2012, с. 24-29.

Аннотация

Технические аспекты исследования параметров статического фурье-видеоспектрометра дистанционного зондирования Земли. Н.К. Артюхина, БНТУ, г. Минск, РБ, e-mail: art49@mail.ru; М.Н. Котов, ОАО «Пеленг», г. Минск, РБ, e-mail: maxastro@belastro.net

Представлены результаты экспериментального исследования характеристик изображений, получаемых видеоспектрометром, дана схема разработанного макета с указанием параметров всех элементов и модулей, проведено спектральное соответствие восстанавливаемых изображений.

Размещено на Allbest.ru