Например, Бобцов

Разработка и изготовление оптических систем для перспективной космической аппаратуры дистанционного зондирования Земли

РАСЧЕТ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

УДК 535.315 + 681.7.065
РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

© 2013 г. С. А. Архипов*, канд. техн. наук; В. И. Заварзин**, доктор техн. наук; Б. Н. Сеник*, доктор техн. наук
** Федеральный научно-производственный центр “Красногорский завод им. С.А. Зверева”, ** г. Красногорск, Московская обл.
** Московский государственный технический университет им. Н.Э Баумана, Москва
** E-mail: bogdan_senik@mail.ru

Приведены конкретные примеры изготовления высококачественных апохроматических объективов “АПО Зенит-ГЛ”, “АПО Зенит-ГЦ”, используемых в оптикоэлектронных комплексах космического назначения “Гамма-Л”, “Гамма-Ц”, а также конструкция высокоточного спектроделительного призменного модуля.
Рассматривается также использование компактных зеркально-линзовых оптических систем с эксцентрично расположенными полями изображения, что в свою очередь, позволит обеспечить существенное снижение массы аппаратуры и создаст принципиально новый класс компактных систем дистанционного зондирования Земли.

Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, оптическая система, г­ иперспектральная съемочная аппаратура, диспергирующее устройство.

Коды OСIS: 220.4610, 310.1620

Поступила в редакцию 07.09.2012

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) из космоса является одним из основных методов изучения окружающей среды, например, при решении многих задач геологии, в том числе при поиске месторождений полезных ископаемых и подземных вод, для контроля состояния почв, мониторинга сельскохозяйственных угодий и лесов, изучения динамики агломераций и населенных пунктов, контроля глобальных атмосферных изменений, а также для ­экологического мониторинга, технической разведки в интересах министерств по чрезвычайным ситуациям и обороны.
Сегодня Красногорский завод им. С.А.  Зверева разрабатывает и изготавливает аппаратуру ДЗЗ нового поколения с существенным повышением информативности (пространственного и спектрального разрешения, регистрации всего спектра оптического излучения от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной (ИК) области). Создается принци-

пиально новый приборный ряд  – гиперспектральная аппаратура (ГСА) ДЗЗ. Космическая оптико-электронная съемка Земли имеет главное преимущество  – оперативное получение изображений любой части ее поверхности. Кроме того, гиперспектральная съемка позволяет получать изображения одного и того же сюжета в сотнях спектральных диапазонов, появляется возможность идентификации объектов не только по геометрической форме, но и по их спектральным сигнатурам. Характерная, обязательная черта современной и перспективной аппаратуры данного класса – ее высокие радиометрические, фотограмметрические, спектрометрические измерительные характеристики, которые после приемо-сдаточных испытаний изделия проходят обязательный этап калибровки. Активные работы в этом направлении начаты в рамках опытно-конструкторской работы (ОКР) по созданию съемочной оптикоэлектронной аппаратуры “Гамма” для мало-

34 “Оптический журнал”, 80, 1, 2013

го космического аппарата (КА) “Монитор-Э” и  продолжаются во всех дальнейших проектах [1–3].
Важнейшим элементом оптико-электронной ГСА ДЗЗ, формирующим изображение объектов и напрямую влияющим на качество видеоинформации, является объектив. В  рамках работ по программе “Гамма” проведен комплекс работ, включающий расчет и оптимизацию ­оптических систем, разработку конструкторской документации (КД) и изготовление двух апо­хроматических объективов (главный конструктор объективов  – А.А.  Токарев) “АПО Зенит-ГЛ” и “АПО Зенит-ГЦ”, внешний вид которых приведен на рис. 1, 2, характеристики приведены в таблице. Оба объектива имеют высокое качество коррекции всех аберраций [4].
Совершенная коррекция монохроматических и хроматических аберраций позволила обеспечить технологический запас их изготовления. Снижение коэффициента передачи модуляций объективов по всему полю изображения не превысило 5% от расчетных значений, что обусловлено только остаточными хроматическими аберрациями. Дальнейшими тенденциями в рефрактометрическом объективостроении для данного класса аппаратуры а­ вторам статьи представляются расширение рабочих спектральных диапазонов от 0,4 до 2,5  мкм, ­повышение выходных оптических и  светотехнических параметров на 15–20%, минимизация массогабаритных характеристик на 25–30% по сравнению с ранее применяемыми схемами в аналогичных оптико-электронных приборах.
Поставленные задачи требуют целого ряда решений по конструкторскому и технологическому переделу. В  первую очередь необходимо использовать оптические материалы с вы-

Рис. 1. Объектив АПО Зенит-ГЛ, предназначенный для использования в панхроматической съемочной аппаратуре “Гамма-Л” для малого КА “Монитор-Э”.
Рис. 2. Объектив АПО Зенит-ГЦ, предназначенный для использования в панхроматической съемочной аппаратуре “Гамма-Ц” для малого КА “Монитор-Э”.

Характеристики объективов АПО Зенит-ГЛ и АПО Зенит-ГЦ

Характеристики

АПО Зенит-ГЛ

АПО Зенит-ГЦ

Фокусное расстояние, мм

480

192

Геометрическое относительное отверстие

1:6,3

1:4,8

Угловое поле, град

10 17

Пропускание не менее, %

75

75

Расчетная дисторсия не более, %

0,2 0,05 для средней длины волны в каждом спектральном диапазоне

Спектральный диапазон, мкм

0,54–0,9

0,5–0,9

Коэффициент светорассеяния не более

0,04

0,04

Масса объектива, кг

4,5 1,5

“Оптический журнал”, 80, 1, 2013

35

сокими значениями показателя преломления в  совокупности с обязательным высокоточным (±1×10–6) определением как показателей преломления, так и дисперсии не менее чем по 20-ти точкам рабочего спектрального диапазона с равномерной разбивкой шага по всему спектру. При изготовлении оптических элементов необходимы высокая точность по геометрии ­(отступление от заданных геометрических ­поверхностей не более 0,1 мкм) и шероховатости оптических поверхностей (в  пределах 20  нм). Расчет, изготовление и нанесение высококачественных просветляющих покрытий должны обеспечивать минимальные коэффициенты остаточного отражения по всему рабочему диапазону спектра в пределах 1–1,5% в спектральном диапазоне от 0,4 до 2,5 мкм.
В то же время, требования к перспективным оптическим системам (ОС) для аппаратуры ДЗЗ  весьма противоречивы. С одной стороны, требуется увеличение светосилы и углового поля, что при сохранении фокусных расстояний, а  также сохранении или улучшении массогабаритных характеристик, приводит к необходимости увеличения диаметров оптических компонентов. С другой стороны, необходимо снижать себестоимость изготовления и повышать эксплуатационные параметры комплексов. Ключ к разрешению вышеуказанных противоречий  – создание новых широкоугольных малокомпонентных ОС, обеспечивающих существенное снижение массы аппаратуры, что позволит создать принципиально новый класс компактных изображающих систем.
Несмотря на значительные преимущества линзовых систем перед зеркальными и зеркально-линзовыми в части меньшего светорассеяния, эффективности защиты от паразитных засветок, разработчики вынуждены обращать внимание на возможность применения зеркальных и зеркально-линзовых систем. Чисто зеркальные системы применяют редко из-за слабых коррекционных возможностей. Наиболее актуальной задачей при разработке таких объективов является снижение коэффициента центрального экранирования, и как следствие, повышение значений функции передачи модуляции на средних пространственных частотах, являющихся рабочими для приемников ПЗС. Выход  – в использовании центрированных зеркальных и зеркально-линзовых ОС с эксцентрично расположенным относительно оптической оси полем изображения. В  таких систе-

мах за счет использования только наклонных пучков лучей удается избежать центрального э­ кранирования.
Кроме того, они создают возможность увеличения углового поля, отсутствие центрального экранирования позволяет, в сравнении с  классическими осесимметричными схемами, обеспечить более равномерное по полю качество изображения. В  таких ОС угловое поле в  пространстве изображения расположено на некотором расстоянии относительно оптической оси и имеет кольцевую форму.
В ходе проведенных теоретических исследований сделан сравнительный анализ различных схемных решений и их предельных характеристик, выбраны и обоснованы три новые схемы зеркально-линзовых объективов с эксцентрично расположенным относительно оптической оси полем изображения. Для них разработаны методики габаритного и аберрационного расчетов и рассчитаны зеркально-линзовые объективы со сферическими поверхностями, имеющие высокую степень исправления аберраций, в том числе дисторсии и хроматических аберраций в видимой и ближней ИК области спектра.
Объективы предназначены для получения изображения подстилающей поверхности ­Земли в видимой и ближней ИК областях спектра. Их пропускание в рабочей области не менее 75% при неоднородности спектрального пропускания не более 15%. Объективы имеют ход лучей в пространстве изображений, близкий к телецентрическому. При фокусном расстоянии 100  мм, относительных отверстиях 1:11–1:6, угловом поле в меридиональном с­ ечении 0,45 и сагиттальном сечении 3,12° о­ бъективы имеют сферическую аберрацию не более 0,07 мм, дисторсию не более 0,8%.
Созданные схемные решения зеркальнолинзовых объективов могут быть использованы в разработках аппаратуры ДЗЗ и открывают новые возможности, отличающиеся от действующих более высокой эффективностью (меньшим отношением стоимости единицы ­информации к затратам на проект).
Наряду с уже достигнутыми предельными пространственными информационными характеристиками (полоса захвата, пространственное разрешение, точность фотограмметрической привязки) современная аппаратура должна обеспечивать высокие радиометрические характеристики и спектральное разрешение. Поэтому кроме основного традиционного элемента оп-

36 “Оптический журнал”, 80, 1, 2013

тической системы  – объектива, важной состав-

ной частью современной аппаратуры является

модуль диспергирующего устройства, так как

именно он осуществляет разложение излуче-

ния сложного спектрального состава в спектр.

Среди

известных

диспергирующих

устройств (дисперсионные призмы, дифракци-

онные решетки, светофильтры, фурье-интер-

ферометры и др.) для космической аппаратуры

дистанционного наблюдения и топографиче-

ской аппаратуры существенные преимуще-

ства имеют призменные спектроделительные

устройства на основе интерференционных

фильтров. Такие устройства создают возмож-

ность апертурного спектрального деления

входного излучения на несколько (3–6) спек-

тральных каналов, что позволяет одновремен-

но регистрировать один и тот же сюжет в не-

скольких спектральных диапазонах при иден-

тичных условиях съемки, повышая тем самым

достоверность радиометрической информации.

Они формируют резкие границы спектраль-

ных каналов и имеют минимальное отношение

с­ игнал/шум, что уменьшает радиометрические

погрешности и существенно для приемников

ПЗС. Призменные спектроделительные устрой-

ства на основе интерференционных фильтров

имеют возможность аппаратного фотограм-

метрического совмещения “пиксел в пиксел”

­изображений в спектральных каналах, что по-

вышает точность фотограмметрической при-

вязки информации. С  их помощью осущест-

вляется спектральное деление в сходящихся

световых пучках, что упрощает оптическую

схему и  снижает массогабаритные характери-

стики космической аппаратуры.

Эти преимущества могут реализоваться

лишь с использованием высокоточных приз­

менных и спектроделительных модулей, путем

разработки и промышленного освоения совре-

менных технологий изготовления прецизион-

ных призм, неравнотолщинных интерференци-

онных фильтров, сборки и юстировки призмен-

ных оптических блоков.

В рамках ОКР “Гамма” Красногорский завод им. С.А.  Зверева выполнил комплекс конструкторских, технологических работ по изготовлению спектроделительного модуля.
Конструктивно спектроделительный модуль обеспечивает возможность получения информации в спектральном диапазоне 400–1100  нм и апертурного деления входного излучения на 3  спектральных канала. Это позволяет регистрировать один и тот же сюжет в нескольких спектральных диапазонах при идентичных условиях съемки, повышая тем самым достоверность радиометрической привязки, возможность спектрального деления в сходящихся световых пучках.
Изготовление такого класса спектроделительных модулей, в свою очередь, потребовало решения технологических задач изготовления высокоточных призменных элементов с точностью изготовления по плоскостности не более 15 нм, шероховатости не более 5 A° , с точностью по углам не более 2–3″; промышленного внедрения технологии нанесения прецизионных спектроделительных покрытий для конкретных спектральных диапазонов; внедрения методов склеивания спектроделительных модулей с ориентацией отдельных оптических компонентов друг относительно друга с точностью в пределах 2–3″.
Заключение
Новые схемные решения малогабаритных объективов, разработанные технологии изготовления прецизионных призм, оптических фильтров, сборки и юстировки высокоточных спектроделительных модулей открывают новые возможности создания аппаратуры дистанционного зондирования Земли из космоса, выгодно отличающиеся от существующих повышением оптических и эксплуатационных параметров, меньшими затратами на разработку и изготовление оптико-электронных комплексов.

*   *   *   *   *

ЛИТЕРАТУРА
1. Архипов С.А., Потелов В.В., Сеник Б.Н. Особенности технологии изготовления высокоточных оптических призменных узлов и спектроделительных модулей для изделий с высокой пространственной ориентацией // Оптический журнал. 2004. Т. 71. № 12. С. 11–13.

“Оптический журнал”, 80, 1, 2013

37

2. Гарбук С.В, Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. М.: Свет, 1997. 129 с.
3. Кравцова В.И. Дистанционное зондирование Земли в первой четверти XXI в. М.: ГИС-ассоциация, 2002. Информационный бюллетень. № 3. 48 с.
4. Токарев А.А. Длиннофокусные объективы с эксцентрично расположенным полем изображения // Известия высших учебных заведений. Т. XXXI. № 7. С. 74–78.
38 “Оптический журнал”, 80, 1, 2013