Гиперспектрометр

Полезная модель относится к гиперспектрометрам, а более конкретно к устройству гиперспектральной регистрации оптического излучения и направлена на повышение качества получаемых гиперспектральных изображений. Гиперспектрометр содержит входной объектив, диафрагменный узел с центральной щелью, коллимирующий узел, диспергирующий элемент, выходной объектив, фотоприемное устройство с матрицей и электронный блок управления. С обеих сторон щелевой диафрагмы установлены и плотно прилегают к ней оптически прозрачные пластины. Пластины могут быть выполнены из стекла и имеют толщину от 0,5 до 5.0 мм. Ширина щели составляет от 0.010 до 0.03 мм. В качестве фотоприемных матриц применяют ПЗС или КМОП матрицы. 4 з.п.ф., 5 илл.

Заявляемая полезная модель относится к гиперспектрометрам то есть к устройствам дистанционного зондирования, а более конкретно к устройству гиперспектральной регистрации оптического излучения.

Гиперспектральное дистанционное зондирование объектов различной природы с подвижных (космический аппарат, самолет, вертолет, автомобиль, поезд и т.д.) обеспечивает идентификацию объектов и их элементного состава.

Идентификация объектов при гиперспектральных измерениях базируется на способностях этих зондируемых объектов поглощать и отражать световые волны. Фундаментальной основой метода дистанционного зондирования является возможность установления соответствия между регистрируемым отраженным оптическим сигналом и элементным составом отражающей поверхности. В качестве подсветки зондируемых объектов может использоваться искусственное излучение, а также солнечное излучение.

Информационной характеристикой гиперспектральных измерений является спектр отраженного зондируемым объектом излучения как функция длины волны и параметров его состояния. Высокая чувствительность коэффициентов отражения разнородных объектов на различных длинах волн выделяет гиперспектральный метод среди других методов дистанционного зондирования. Данные гиперспектральных измерений бывают особенно полезны для решения сложных задач обнаружения объектов, идентификации их состава и происходящих в них процессов, выделения отличий между очень близкими классами объектов, оценки биохимических и геофизических параметров и т.п. Только гиперспектральные измерения могут выявить малые спектральные различия между отдельными элементами зондируемых объектов.

Известен гиперспектрометр, используемой для дистанционного зондирования земной поверхности (Калинин А.П., Орлов А.Г. и Родионов И. Д., «Вестник московского государственного технического университета имени Н.Э.Баумана», 3 (64), 2006 г. с.11-25.), который содержит входной объектив, диафрагму с узкой центральной щелью, коллимирующий узел, диспергирующий элемент, выходной объектив, фотоприемное устройство с матрицей и электронный блок управления. В состав названного блока входит встроенный процессор.

Известный гиперспектрометр построен по схеме «pushbroom», в которой используется диафрагма с узкой щелью, обеспечивающей обзор узкой полосы на поверхности объекта.

Недостатком известного гиперспектрометра является отсутствие помехозащищенности от воздействия пылевых частиц, присутствующих в окружающей среде. Вследствие использования узких щелевых диафрагм, размером порядка десятков мкм, небольшие пылевые частицы, попадающие на щель, могут вносить искажения в получаемые изображения (отображаться в виде темных полос).

Задачей настоящей полезной модели является создание гиперспектрометра с пылезащищенным диафрагменным узлом.

Техническим результатом является повышение качества гиперспектральных изображений.

Поставленная задача и необходимый технический результат достигаются тем, что в гиперспектрометре, содержащем входной объектив, диафрагму с центральной щелью, коллимирующий узел, диспергирующий элемент, выходной объектив, фотоприемное устройство с матрицей и электронный блок управления, с обеих сторон щелевой диафрагмы установлены и плотно прилегают к ней оптически прозрачные пластины (образующие пылезащищенный диафрагменный узел).

Пластины могут выполняться из стекла и имеют толщину от 0,5 до 5.0 мм. Ширина центральной щели в диафрагме составляет от 0.01 до 0.03 мм. В качестве диспергирующего элемента возможно применение призмы или дифракционной решетки, а в качестве фотоприемных матриц возможно использованиет ПЗС или КМОП матриц.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами, где:

на фиг.1 показан гиперспектральный снимок с линиями, которые возникли вследствие наличия пылинок на диафрагменной щели;

на фиг.2 схематически показана полоса мгновенного поля зрения гиперспектрометра типа «pushbroom» с узкой щелью;

на фиг.3 представлена функциональная схема полезной модели;

на фиг.4 схематически представлен диафрагменный узел, образованный диафрагмой с защитными пластинами, на одной из которых осела пылинка;

на фиг.5 представлены результаты моделирования хода лучей через диафрагменную щель и их отображение на поверхности фотоприемной матриц: а - случай без пылинки, б - с пылинкой на щели; в - с пылинкой на защитном стекле.

Фиг.1 приведена для иллюстрации влияния пылинок, осевших на диафрагме, на качество гиперспектрального изображения. Черные горизонтальные полосы, ухудшающие качество изображения, появились в результате оседания пылинок на щели диафрагмы.

Заявляемая полезная модель гиперспектрометра сконструирована по схеме «pushbroom» и построение гиперспектрального изображения поясняется на фиг.2. В данном случае развертка изображения объекта по оси Х осуществляется за счет движения летательного аппарата, например, самолета, на борту которого установлен гиперспектрометр.

Конструктивная схема гиперспектрометра приведена на фиг.3. Гиперспектрометр содержит входной объектив 1, диафрагменный узел 2, коллимирующий узел 3, диспергирующий элемент 4, выходной объектив 5, фотоприемное устройство 6 с матрицей и электронный блок управления 7.

Диафрагменный узел 2 содержит диафрагму 8 с центральной щелью 9 (фиг.4). С обеих сторон диафрагмы, плотно прилегая к ее сторонам, установлены защитные пластины 10. Цифрой 11 обозначена пылинка внутри щели.

На фиг.5 показаны результаты моделирования хода лучей через диафрагменную щель шириной 0.06 мм при толщине защитных пластин 2 мм и их отображение на поверхности фотоприемной матрицы:

а - случай без пылинки,

б - с пылинкой диаметром 0.02 мм на щели;

в - с пылинкой диаметром 0.02 мм на защитной пластине.

Использованные в модельных расчетах размеры диафрагменной щели и пылинок соответствуют реальным размерам. Здесь на примере хода лучей от точечного источника, поступающих в объектив под разными углами в плоскости АБ (фиг.4), перпендикулярной диафрагме в пределах ширины щели. Цифрой 12 обозначены фрагменты поверхности фотоприемной матрицы, на которую проецируются прошедшие всю оптическую систему лучи для трех вышеуказанных случаев т.е.: без пылинки - а, с пылинкой на щели - б и с пылинкой на поверхности защитного стекла - в.

В модельные расчеты была введена абберация объектива, для того чтобы отображение каждого луча на фотоприемной матрице имело бы некоторый размер. Следует отметить, что в целях удобства толщина защитных пластин на фиг.5 показана условно, так как в противном случае они вышли бы далеко за пределы рисунка.

Если принять за 100% интенсивность излучения, прошедшего на фотоприемную матрицу на фиг.5а, то для случая, соответствующего фиг.5б, проходит примерно 31%% интенсивности излучения, а для случая, показанного на фиг.5в, - 99.8%. В результате влияния пылинки, расположенной в диафрагменной щели (фиг.5б), на гиперспектральном изображении появляются темные линии (в данном модельном расчете шириной порядка для пылинки диаметром 0.02 мм ширина полосы будет порядка 0.01-0.015 мм). В случае пылинки диаметром d=0.02 мм, фокусного расстояния объектива f=20 мм и высоты полета носителя гиперспектрометра 1000 м темные полосы на фотоприемной матрице будут соответствовать 1 м на поверхности Земли.

Проведенные испытания показали, что использование защитных пластин позволяет практически исключить влияние пылевых частиц в наиболее критическом узле (дифрагменная щель) на качество получаемых гиперспектральных изображений, что подтверждает промышленную применимость предлагаемого гиперспектрометра.

1. Гиперспектрометр, содержащий входной объектив, диафрагму с центральной щелью, коллимирующий узел, диспергирующий элемент, выходной объектив, фотоприемное устройство с матрицей и электронный блок управления, отличающийся тем, что с обеих сторон щелевой диафрагмы установлены и плотно прилегают к ней оптически прозрачные пластины.

2. Гиперспектрометр по п.1, отличающийся тем, что пластины выполнены из стекла и имеют толщину от 0,5 мм до 5,0 мм.

3. Гиперспектрометр по п.1, отличающийся тем, что ширина щели составляет от 10 мкм до 30 мкм.

4. Гиперспектрометр по п.1, отличающийся тем, что в качестве диспергирующего элемента применяют призму или дифракционную решетку.

5. Гиперспектрометр по п.1, отличающийся тем, что в качестве фотоприемной матрицы применяют ПЗС или КМОП матрицы.