Средства измерений 16 Приборы и методы измерений, № 1 (8), 2014 УДК 681.785.5+535.421 ВИДЕОСПЕКТРАЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ С БОРТА МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ Крот Ю.А.1, Чумаков А.В.1, Гусев В.Ф.2 1НИИ прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко Белорусского государственного университета, г. Минск, Республика Беларусь 2Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королёва, г. Королев, Московская обл., Российская Федерация e-mail: Yuri.Krot@mail.ru Разработана видеоспектральная система для дистанционного зондирования Земли из космоса. В работе описаны принцип работы, оптическая схема, основные и вспомога- тельные системы прибора, изложены основные требования к прибору для специфиче- ских задач экологического мониторинга в рамках космических экспериментов. Исследо- ваны основные технические характеристики созданного образца. Разработаны методы улучшения оптических характеристик. Ключевые слова: видеоспектральная система, спектрометр, полихроматор, компенсация астиг- матизма, дифракционная решетка. Введение В настоящее время на околоземной орбите находится большое количество космических аппаратов, используемых для различных задач мониторинга поверхности Земли и ее атмо- сферы. Однако существуют специфические научные эксперименты, которые требуют непо- средственного участия человека и проводятся с борта Международной космической станции (МКС). К таким экспериментам относится и кос- мический эксперимент «Ураган», направ- ленный на изучение процессов и последствий природных и техногенных явлений и ката- строф. На борту российского сегмента МКС находится достаточно большое количество фо- тоаппаратуры, что позволяет оперативно полу- чать цветные изображения поверхности Земли вдоль орбиты полета. Однако особую роль в научно-прикладных исследованиях играет спектральная информация для выявления спек- тральных признаков различных объектов и процессов. Для космического эксперимента «Ураган» в НИИ прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко БГУ разработана видеоспек- тральная система (ВСС), предназначенная для получения цветных цифровых фотоизображе- ний и спектральных характеристик подстила- ющей поверхности с борта МКС. Назначение прибора Видеоспектральная система предназначена для получения цветных цифровых фотоизобра- жений высокого пространственного разреше- ния и одновременного получения множества спектров участков этого изображения. Для это- го необходимо совмещение канала регистрации изображений и спектрального канала. По тех- ническому заданию к системе предъявляются следующие основные требования: – получение цветных фотоизображений с проекцией пикселя не более 5 м; – получение не менее 250 пространственно разделенных спектров отраженного излучения для одного изображения; – спектральное разрешение спектров долж- но быть не хуже 5 нм; – рабочий спектральный диапазон спектро- метров 400–950 нм; – единый объектив для спектрального ка- нала и канала изображения; Средства измерений Приборы и методы измерений, № 1 (8), 2014 17 – пространственная привязка спектров к полученному изображению; – система видеосопровождения подсти- лающей поверхности для облегчения наведения ВСС на исследуемый объект. ВСС выполнена в виде моноблока с отде- ляемым блоком управления и отображения ин- формации (рисунок 1). Система устанавлива- ется на иллюминатор с помощью поворотного установочного кронштейна с датчиками углов поворота по двум осям, дающими информацию о положении прибора. Рисунок 1 – Внешний вид видеоспектральной си- стемы на установочном кронштейне: 1 – базовый блок; 2 – блок монитора; 3 – установочный крон- штейн; 4 – имитатор иллюминатора Принцип работы и основные модули видео- спектральной системы Чтобы обеспечить одновременную реги- страцию изображения и спектров излучения подстилающей поверхности (далее спектров) использован единый входной объектив Has- selblad HC 4,5/300 со встроенным центральным электромеханическим затвором. На рисунке 2 показана оптическая схема ВСС. Излучение поступает на входной объектив 1. С помощью светоделителя 4 поток излучения делится на две части – часть излучения направляется и фокуси- руется на цветную фотоприемную матрицу 5 Kodak KAF40000, вторая часть фокусируется на плоскость изображения 7 для получения спек- тров. Исходя из характеристик светочувстви- тельности канала изображения и спектрального канала пластина светоделителя 4 на передней плоскости имеет специальное покрытие, отра- жающее 20 % излучения и пропускающее око- ло 80 % излучения. В плоскости 7 расположены входные торцы трех световодов передачи изоб- ражения 8, которые передают излучение из плоскости 7 на входные щели 9 трех одинако- вых полихроматоров. Также из плоскости 7 с помощью световода 13 излучение выводится на автоэкспонометр 14. Для удобства наведения прибора предусмотрена камера 12, видеосигнал с которой в режиме обзора выводится на экран монитора. Управление всеми модулями осуществля- ется с помощью встроенного одноплатного компьютера 7F2WE1GS Jetway. Управление и копирование данных с задника Hasselblad c матрицей Kodak KAF40000 производится про- граммой управления ВСС по интерфейсу Fire- Wire. Работа с тремя спектрометрами спек- трального канала осуществляется через USB- интерфейс. При ведении съемки на встроенный твердотельный жесткий диск сохраняются дан- ные с канала изображения со всей информа- цией настроек, данные со спектрометров, по- ложения датчиков углов поворота установоч- ного кронштейна, служебная информация и данные об отказах подсистем. Питание ВСС предусмотрено как от бортовой сети, так и от присоединяемого аккумулятора. Спектральный канал Спектральный канал ВСС представляет собой три полихроматора с вогнутыми голо- графическими дифракционными решетками 10 (рисунок 2) и матричными приемниками излу- чения 11. Изображение с ПЗС матрицы каждого полихроматора содержит спектральную инфор- мацию и пространственное распределение яр- кости вдоль входной щели. Для вогнутых сферических дифракцион- ных решеток характерна астигматическая абер- рация. Ее суть заключается в том, что фокуси- ровка излучения в меридиональной и сагит- тальной плоскостях происходит на различных расстояниях от дифракционной решетки. Это затрудняет получение высокого пространст- венного разрешения по высоте входной щели. Средства измерений 18 Приборы и методы измерений, № 1 (8), 2014 Был разработан и применен метод умень- шения астигматизма вогнутой дифракцион- ной решетки, позволивший значительно уве- личить количество одновременно спектро- метрируемых областей без потери спектраль- ного разрешения. При разработке ВСС прове- дены как теоретические обоснования нового метода, так и макетирование с оценкой улуч- шения пространственного разрешения поли- хроматора. Рисунок 2 – Оптическая схема видеоспектральной системы: 1 – входной объектив; 2 – электромеханический за- твор; 3 – конвертер; 4 – плоская полупрозрачная пластина узла светоделителя (УСД); 5 – цветная фотоприемная матрица (39 Мпкс, 5412  7212 элементов, 16 бит); 6 – цветная фоточувствительная матрица канала изображе- ний c электронным обрамлением (задник); 7 – вторая плоскость изображения; 8 – световоды передачи изобра- жения; 9 – входные щели полихроматоров; 10 – диспергирующие элементы (вогнутые голограммные решетки); 11 – приемные матрицы полихроматоров DALSA IA-DJ-01044 (1044  1044 элементов); 12 – камера видеосопро- вождения (электронный видоискатель); 13 – волоконно-оптические световоды; 14 – фотодиод электронного экспонометра Если изображение регистрируемой поверх- ности находится в плоскости входной щели 9 (рисунок 2), то плоскости фокусировки по спек- тру и по пространству находятся на разных рас- стояниях от дифракционной решетки. Суть ме- тода состоит в смещении плоскости выходных торцов световодов передачи изображения 8 на определенное расстояние от входной щели 9 вдоль оптической оси, что позволяет совместить фокусировку лучей в меридиональной и сагит- тальной плоскостях. При этом входная щель 9 работает как одномерная диафрагма для получе- ния высокого спектрального разрешения. Этот принцип был применен на ВСС, где изображе- ние объекта съемки передается на выходной то- рец световода изображения. Лабораторные эксперименты с видеоспект- ральной системой показали значительное улуч- шение (до 10 раз) пространственного разреше- ния, определяемого астигматизмом дифракци- онной решетки. Заполнение излучением рабо- чей области дифракционной решетки, а также чувствительность полихроматора обеспечива- ются шириной световода передачи изображе- ния. В ВСС световоды передачи изображения 8 (рисунок 2) имеют высоту 20 мм и ширину 3 мм. С помощью монохроматического освети- теля и зеркального коллиматора были созданы Средства измерений Приборы и методы измерений, № 1 (8), 2014 19 условия освещения, позволяющие оценивать величину астигматизма в полихроматоре. На рисунке 3 представлены фрагменты изображений приемной матрицы спектрометра с астигматическим отрезком. Юстировка поло- жения световода относительно входной щели полихроматора позволила уменьшить астигма- тический отрезок почти в 10 раз в центральной части по высоте входной щели. При этом спек- тральное разрешение не ухудшилось. Без ком- пенсации астигматизма каждый полихроматор может сформировать лишь от 8 до 10 простран- ственно разделенных спектров, а применение данного метода позволило получить более 80 пространственно разделенных спектров на каж- дом полихроматоре. На рисунке 4 показаны обла- сти регистрации спектров в изображении канала изображений. Поле зрения каждого спектрометра соответствует определенной области снимка ка- нала изображения, и состоит из более чем 80 от- дельных пространственно разделенных спектров. Экспонирование фоточувствительной мат- рицы канала изображения и спектрального ка- нала происходит одновременно благодаря еди- ному затвору. Это позволяет однозначно «при- вязывать» каждую область спектрометрирова- ния к получаемому одновременно цветному изображению подстилающей поверхности. Рисунок 3 – Регистрируемая астигматическая аберрация. Фрагменты изображения по мере отодвигания световода: слева – световод расположен вплотную к входной щели полихроматора; справа – отодвинут на расстояние наилучшей фокусировки Рисунок 4 – Поля зрения спектрометров в поле зрения канала изображения Существуют и другие способы компен- сации астигматизма, например с помощью вспомогательных цилиндрических зеркал. Но учитывая широкий спектральный диапазон и, соответственно, рабочие углы дифракции, а также конструктивные особенности полихро- маторов, было установлено, что они менее эффективны [1]. Предложенный метод требует лишь до- полнительной юстировки в сагиттальной плос- Средства измерений 20 Приборы и методы измерений, № 1 (8), 2014 кости и не требует существенных затрат по сравнению с другими методами компенсации астигматизма [1]. Характеристики опытного образца К настоящему времени изготовлен опыт- ный образец видеоспектральной системы. Про- ведены юстировки оптических модулей. Отра- ботано специальное программное обеспечение для работы тестирования всех модулей прибо- ра, управления, выбора режимов и проведения съемки, переноса данных на сменные носители [2]. Для предстартовой проверки работоспо- собности аппаратуры разработана и изготов- лена контрольно-поверочная аппаратура. На метрологическом стенде проведены спектрально-энергетические калибровки опыт- ного образца, определены основные оптические характеристики. Успешно пройдены опытно- конструкторские испытания на стендах в РКК «Энергия» [2]. В опытном образце видеоспектральной си- стемы удалось добиться следующих характери- стик для условий съемки с МКС (высота ор- биты 400 км): – поле зрения канала изображения: 37 × × 165 км; – проекция пикселя канала изображения на поверхности Земли: 4,8 м; – поле зрения камеры видеосопровождения: 220 × 165 км; – спектральное разрешение спектрального канала: 3–5 нм; – рабочий спектральный диапазон спек- трометров: 400–950 нм; – количество спектров за одно срабатывание затвора: не менее 270. Заключение Разработана видеоспектральная система для дистанционного зондирования Земли из космоса, являющаяся промежуточным звеном между спектрозональными камерами и гиперспектро- метрами. Метод компенсации астигматизма для поли- хроматоров на базе вогнутых дифракционных решеток позволил улучшить пространственное разрешение полихроматоров в 10 раз. Список использованных источников 1. Беляев, Ю. В. Исследование и оптимизация уг- ловых характеристик фотоспектральной систе- мы / Ю.В. Беляев [и др.] // Космічна наука і тех- нологія. – 2011. – Т. 17. – № 1. – С. 80–83. 2. Беляев, М.Ю. Видеоспектральная система ВСС для космического эксперимента «Ураган» на МКС / М.Ю. Беляев [и др.] // Современные про- блемы дистанционного зондирования Земли из космоса: тез. Десятой открытой Всероссийской конференции, Москва, 11–15 ноября 2013 г. / Москва: ИКИ РАН. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://smiswww.iki.rssi.ru/d33_ conf/thesisshow.aspx?page=78&thesis=3901. – Дата доступа: 11.12.2013. ____________________________________________________ A VIDEOSPECTRAL SYSTEM FOR EARTH'S REMOTE SENSING ON BOARD OF THE INTERNATIONAL SPACE STATION Krot Y.A. 1 , Chumakov A.V. 1 , Gusev V.F. 2 1 Research Institute of Applied Physical Problems, Belarusian State University, Minsk, Belarus 2S.P.Korolev rocket space company «Energia», Korolev, Moscow area, Russia e-mail: Yuri.Krot@mail.ru Abstract. A videospectral system for Earth's remote sensing from space has been developed. The operat- ing principle, optical scheme, basic and assist modules of the system are described. The specific requirements to device for ecological monitoring tasks at space experiments are presented. The main optical parameters of Средства измерений Приборы и методы измерений, № 1 (8), 2014 21 the experimental prototype have been analyzed. The method of gratings astigmatism correction has been de- veloped. Optical parameters of the system have been improved. Keywords: videospectral system, spectrometer, polychromator, astigmatism correction, diffraction grid. References 1. Belyaev Yu.V., Katkovsky L.V., Krot Ya.A., Khvalei S.V., Khomitsevich A.D. [Analysis and optimization of photospectral system angular characteristics], Kosmichna nauka i tekhnologiya, 2011, no. 17-1, pp. 80–83 (in Russian). 2. Belyaev M.Yu., Ryazancev V.V., Gusev V.F., Belyaev B.I., Sosenko V.A., Chumakov A.V., Ivanov V.A., Krot Yu.A. [Videospectral system VSS for space experiment «Uragan» on the ISS].. Tezisy desyatoy otkrytoy Vserossiyskoy konferencii «Sovremennye problemy distancionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa» [Actual problems in remote sensing of the Earth from Space. Thesis 10 rd Sci. Conf.]. Moscow, 2013. Available at: http://smiswww.iki.rssi.ru/d33_conf/thesisshow.aspx?page=78&thesis=3901. (accessed 24.01.2014) (in Rus- sian). Поступила в редакцию 24.01.2014.