Основа КА Лекции Пузин
.pdf
БОРТОВАЯ АППАРАТУРА НАБЛЮДЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Длина оптической системы может быть значительно меньше фокусного расстояния за счет использования вторичных зеркал и линзовых корректоров.
Разрешающая способность оптической системы ∆Lм - частота штрихов в изображении поля миры на идеальном приемнике изображения, в котором еще сохраняется различие между штрихами. Разрешающая способность оптической системы измеряется обычно в количестве пар штрихов (белой и черной полос) на один милли метр (линий/ мм).
Идеальный приемник изображения имеет бесконечную разрешающую способность, но на практике он нереализуем. Поэтому реально проверяют разрешающую способность оптической системы в таких условиях (или для таких систем), когда разрешающая способность фотоприемника значительно выше разрешающей способности приемника изображения.
Разрешающая способность оптических приборов больших габаритов ограничена в основном из-за аберрации, суть которой со-стоит в том, что лучи, идущие из одной какой- нибудь точки предмета, после выхода из оптической системы собираются не строго в точку, а в небольшую фигуру рассеяния. Даже если оптическая система идеальна, то лучи для элементов изображений, отстоящих от оптической оси на некотором расстоянии, также не сходятся в точку. Следствием аберрации является перераспределение энергии в плоскости изображения, дающее некоторое сгущение в центре с уменьшением освещенности на краю, т. е. образуются так называемые кружки рассеяния. Пригодность оптических систем, формирующих изображение, для анализа малоразмерных деталей съемки ограничена размерами минимального кружка рассеяния. Площадь этого кружка определяет ту минимальную площадь, внутри которой могут быть замечены изменения в распределении
потока излучения.
10
БОРТОВАЯ АППАРАТУРА НАБЛЮДЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Диаметр главного зеркала и относительное отверстие. Диаметр главного зеркала (D)
или апертура определяет величину так называемого относительного отверстия оптической системы (отношение диаметра входного сечения оптической системы к фокусному расстоянию). Чем больше показатель относительного отверстия, тем меньшее время выдержки необходимо для «засветки» элемента фотоприемного устройства. Это время существенно влияет на допустимую скорость движения изображения по фокальной плоскости и, следовательно, на качество снимка.
Угловая апертура - угол между крайними лучами конического светового пучка, входящего в оптическую систему (угол захвата оптической системы φз).
Принципиальная оптическая схема наблюдения в районе трассы полета КА.
|
НА схеме обозначено: В – ширина полосы захвата, |
|
b – изображение полосы захвата в фокальной |
φз |
плоскости аппаратуры наблюдения 1, h – вы- |
|
b сота полета КА, f - фокусное расстояние аппа- |
|
ратуры наблюдения. |
|
h |
Ширина захвата кадра и масштаб снимка
При детальном уровне разрешения размеры кадра имеют значение с точки зрения качественного дешифрирования изображения и поиска определенных целей или группы целей, разнесенных на местности. В этом случае чем больше размер кадра при сохранении требуемой детальности, тем снимок информативнее. Однако реализовывать аппаратуру
наблюдения с широким захватом при сохранении детальности сложно.
11
БОРТОВАЯ АППАРАТУРА НАБЛЮДЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Размеры ширины полосы захвата B и размеры изображения ширины полосы захвата b в фокальной плоскости оптической системы связаны между собой следующим cоотношением:
B = b·h/f. При больших размерах ширины захвата необходима большая угловая апертура оптической системы и, как следствие, большое количество элементарных фотоприемников изображения (выстроенных в линейку ПЗС).
Отснятый и переданный на Землю кадр поверхности Земли может быть представлен с различными размерами и масштабами снимка. Размер снимка может быть любым.
Точность изготовления и позиционирования элементов оптических систем
К крупногабаритным космическим телескопам предъявляются очень высокие требования по точности изготовления главного и вторичного зеркал и позиционированию их относительно друг друга и фокальной плоскости.
Точность изготовления формы поверхностей оптических элементов составляет 1,5…2% от длины волны света. Длина волны гелий-неонового лазера, используемого в средствах контроля точности изготовления оптических элементов, составляет 0,6328 мкм. Поэтому среднеквадратическое отклонение формы оптического элемента от номинала должно быть менее 0, 01 мкм.
Обеспечить такую же точность позиционирования оптических элементов относительно друг друга в крупногабаритных телескопах, работающих в условиях воздействия дестабилизирующих факторов космического полета, основными из которых являются температурный фактор и изменение расстояния до снимаемого объекта, практически невозможно. Поэтому для парирования дестабилизирующих факторов используются подстройки оптической системы (юстировка), автоматическая фокусировка, а также
согласование осей оптической системы и платформы астровизиров, относящейся к системе
12
БОРТОВАЯ АППАРАТУРА НАБЛЮДЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
ориентации космического аппарата.
В этой связи к точности позиционирования оптических элементов относительно друг друга требования менее жесткие, чем требования к точности формы отдельных оптических элементов. Например, для двухзеркальной оптической системы с диаметром главного зеркала (ГЗ) 1500 мм допустимые отклонения вторичного зеркала (ВЗ) от номинального положения представлены ниже в таблице.
Другие характеристики оптических систем
Для проектантов КА наблюдения важны еще и следующие характеристики:
- масса оптической системы; - габариты оптической;
- удельная масса телескопа (приходящаяся на единицу площади поперечного сечения
телескопа);
-масса оптико-электронной аппаратуры;
-среднесуточное энергопотребление (Вт);
-требуемые температурные режимы для функционирования и др.
Следует отметить, что на КА могут быть установлены технические средства исключающие попадание лучей Солнца в оптическую систему телескопического комплекса. Так при ориентации оптической системы КА на Солнце крышка телескопа закрывается с некоторым упреждением.
13
БОРТОВАЯ АППАРАТУРА НАБЛЮДЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Фотоприемные устройства
Вданные средства входит «оптико-электронный преобразователь», который осуществляет преобразование отраженной энергии Солнца (для видимого диапазона длин волн) от наблюдаемого участка земной поверхности в электрические сигналы, которые кодируются, упаковываются и передаются в запоминающее устройство накопителя или непосредственно на средства высокоскоростной радиолинии для передачи информации на Землю.
Вкачестве фотоприемных устройств оптико-электронного преобразователя на современных КА наблюдения используют так называемые приборы с зарядовой связью (ПЗС). Прибор с зарядовой связью является элементом, преобразующим пространственное распределение излучения по его поверхности во временную последовательность электрических сигналов. Форма приборов с зарядовой связью зависит от принятой схемы съемки наземных объектов наблюдения.
Прибор с зарядовой связью представляет собой линейку (или матрицу) малоразмерных электродов, расположенных на поверхности тонкой пластины полупроводника и
разделенных тонкой изолирующей пленкой. |
Обычно под металлическими электродами |
Принципиальная схема ПЗС линейки |
расположен изолирующий слой окисла |
|
SiО2, а в качестве полупроводникового |
|
материала используется Si. В результате |
|
образуется трехслойная конструкция: |
|
металл – окисел – полупроводник. |
|
С точки зрения физики в приборах с |
|
зарядовой связью электрический сигнал |
|
в них представлен не током или |
14
БОРТОВАЯ АППАРАТУРА НАБЛЮДЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
напряжением, а электрическим зарядом. Заряд удерживается с помощью миниатюрных конденсаторов, одним электродом которых служит малоразмерный электрод, а другим - участок полупроводника, расположенный под этим электродом. Поглощенный квант света приводит к появлению в полупроводнике свободного электрона. Эти электроны накапливаются и удерживаются в небольших зонах полупроводника вблизи отдельных электродов, если к этим электродам приложен определенный потенциал.
Важнейшим достоинством прибора с зарядовой связью является возможность считывать зарядовое изображение электронным, а не механическим способом. Достигается это перемещением полученных зарядовых пакетов по поверхности полупроводника от входа к выходу. Конструктивно ПЗС – приемники представляют собой, по сути дела, сверхбольшую интегральную схему, т. е. тонкую пластинку полупроводникового материала (в данном случае кремния), на поверхности и в объеме которой размещены десятки и сотни тысяч отдельных электрических элементов. Линейки и ПЗС матрицы устанавливаются в фокальной плоскости оптической системы наблюдения.
Спектральные каналы аппаратуры наблюдения. Принято разделять оптико-электронные преобразователи на панхроматические (прием черно-белого изображения) и многозональные Схема размещения ПЗС линеек (прием цветного изображения). Для того чтобы
регистрировать изображение в нескольких спектрах электромагнитного излучения одновременно, можно размещать
нескольких линеек приборов с зарядовой связью, на которые устанавливаются различные светофильтры. Светофильтры могут быть постоянно закреплены на линейках или сменяться с помощью механических устройств. На представленной
15
БОРТОВАЯ АППАРАТУРА НАБЛЮДЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
схеме приведены три линейки ПЗС, установленные в фокальной плоскости аппаратуры наблюдения. На этой схеме приведены следующие обозначения: 1 - фокальная плоскость оптической системы; 2 - линейки (или матрицы) ПЗС.
Размер элемента и разрешающая способность фотоприемной аппаратуры
Разрешающая способность фотопленки измеряется предельной частотой штрихов в изображении поля миры, в котором еще сохраняется различие между штрихами и ее принято измерять в лин/ мм.
Применительно к фотоприемным устройствам ОЭА на ПЗС структурах, составленным из множества миниатюрных полупроводниковых элементов размерами ∆а×∆b (размеры пиксела
впродольном и поперечном направлении), разрешающую способность ∆N принято измерять
влинейных размерах пары фотоприемных элементов, то есть, то есть ∆N = 1/2·∆b лин/мм.
Внастоящее время минимальный размер элемента строки ПЗС, используемый для космических аппаратов детального наблюдения составляет 6 мкм., что соответствует разрешению примерно 83 лин/мм.
Вслучае использования ПЗС-линейки в качестве чувствительного элемента аппаратуры наблюдения КА, для регистрации изображения в полете должны быть выполнены следующие условия:
1)оптическая ось аппаратуры должна быть направлена в точку, расположенную на траектории съемки;
2)скорость бега изображения в фокальной плоскости камеры, установленной на КА, должна быть равна заданной величине, оставаться постоянной и быть направленной перпендикулярно ПЗС-линейке.
16
БОРТОВАЯ АППАРАТУРА НАБЛЮДЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Режимы съемки средствами целевой аппаратуры КА ДЗЗ.
Современный КА ДЗЗ обладает возможностью производить несколько видов съемки земной поверхности: кадровую съемку, съемку площадей, маршрутную и стереоскопическую съемку различных объектов. Реализация перечисленных видов съемки осуществляется, как пра-
вило, средствами системы управления движением КА. Для обеспечения требуемого уровня детальности изобра- жения, предъявляются достаточно высокие требо- вания к СУД КА, а именно: - точность наведения не
менее 2-5 угловых минут, - точность угловой ориента- ции, в зависимости от пространственного разре- шения, должна быть не хуже диапазона значений от 10-3 до10-4 град/сек.
Для реализации перечисленных режимов съемки, средствами СУД должны выполняться операции быстрых разворотов для смены объектов наблюдения, переходящих к точному программному повороту для наведения и отработки заданной траектории движения линии визирования оптической оси с заданными угловыми скоростями вращения КА.
17
БОРТОВАЯ АППАРАТУРА НАБЛЮДЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Точность привязки снимка к геодезическим координатам
Для детальных снимков имеют значение не только размеры кадра, но и точность привязки кадра к геодезическим координатам. В этом смысле информативность снимка считается выше, если координаты объекта наблюдения указаны с высо- кой точностью, например с точностью ±20 м.
Характеристики оперативности доставки информации
Информация, представленная заказчику, имеет неодинаковую ценность с точки зрения оперативности получения снимка с момента подачи заявки на проведение съемки заданного района до получения снимка заказчиком. Например, снимок потерпевшего бедствие корабля, не имеющего связи, имеет значительно большую ценность, если он получен через несколько минут после проведения съемки, и имеет малую ценность, если получен через несколько суток после съемки.
Показатели оперативности получения снимка имеют размерность времени.
Показатели периодичности наблюдения объектов
В качестве показателей периодичности рассматриваются следующие показатели:
-время между двумя соседними по времени полета КА попаданиями объекта наблюдения с заданными или случайными координатами в зону обзора этого КА;
-время между двумя соседними по времени полета КА попаданиями объекта наблюдения с заданными или случайными координатами в зону обзора этого КА и с учетом вероятностных характеристик погодных условий над снимаемой
территорией.
18
БОРТОВАЯ АППАРАТУРА НАБЛЮДЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Схема наблюдения одного объекта |
|
|
||
на различных витках полета КА |
|
Периодичность наблюдения |
||
1 |
2 |
3 |
4 |
КА существенно зависит |
|
|
|
|
от баллистических характе- |
|
|
|
|
ристик орбитальной группи- |
|
|
|
|
ровки, в частности от коли- |
чества спутников в системе, от организации схемы обзора земной поверхности, высоты полета, от характеристик оптических систем и СУД КА и др.
Выбор режимов наблюдения потенциальных целей осу- ществляется путем моделиро- вания орбитального полета КА ДЗЗ и анализа техничес- кой возможности получения изображения наблюдаемых объектов с расчетом данных
и формированием программы управления угловым движением КА.
19