VVS-LabRabota-07-OptikaKA
.pdf
Курс «Введение с специальную технику
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7
Определение проектных характеристик оптической целевой аппаратуры космического аппарата
В данной лабораторной работе ознакомимся с устройством оптической целевой аппаратуры, устанавливаемой на КА и рассчитаем массово-геометрические проектные характеристики телескопа КА.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1) Детальность наблюдения поверхности Земли из космоса:
Одной из основных целей для КА дистанционного зондирования Земли (КА ДЗЗ) является получение оптических изображений земной поверхности (см. рис. 1).
Рисунок 1 - Пример оптического изображения, полученного с КА ДЗЗ (Студгородок СГАУ)
Одной из важных целевых проектных характеристик оптической аппаратуры КА является детальность наблюдения, численную величину которой можно описать с помощью пространственного разрешения R .
Пространственное разрешение - это величина, которая характеризует размер наименьших объектов, различимых на полученном изображении. К примеру, на земной поверхности расположен объект, который представляет собой четыре плоские плиты размером 2м×2м (см. рис. 2).
Земная поверхность
2м
2м
2м 2м
Пиксел изображения
Фрагмент |
Фрагмент |
Фрагмент |
изображения с |
изображения с |
изображения с |
пространственным |
пространственным |
пространственным |
разрешением R=2м |
разрешением R=1м |
разрешением R=0,5м |
Рисунок 2 - К определению понятия пространственное разрешение
1
Курс «Введение с специальную технику
При пространственном разрешении R 0,5 м (см рис. 2) на изображении (фотографии)
объект будет хорошо различим (изображение каждой из 4-х плит состоит из 16 пикселей). При пространственном разрешении R 1м на изображении объект будет различим, но в 2 раза хуже
(изображение каждой из 4-х плит будет состоять из 4 пикселей). При пространственном разрешении
R 2 м изображение всего наземного объекта будет представлять четыре точки (пикселя). При пространственном разрешении R 4 м мы уже не сможем различить указанный объект на фотографии земной поверхности.
2) Устройство оптической целевой аппаратуры КА дистанционного зондирования Земли:
При первом рассмотрении можно считать, что целевая оптическая аппаратура КА включает в свой состав: а) телескоп; б) устройство преобразования собранных отраженных лучей света (электромагнитных волн) в электронное изображение.
Телескоп (телескопический комплекс) - это устройство, которое включает в свой состав систему линз или нелинейных зеркал собирающих отраженные от наземного объекта лучи световых волн в концентрированный пучок света (см. рис. 3а).
Устройством для преобразования собранных сконцентрированных лучей света в электронные изображения являются ПЗС-линейки и ПЗС-матрицы (ПЗС - прибор с зарядовой связью). Основным элементом ПЗС-матрицы является фотодиод (полупроводник, по которому начинает протекать электрический ток при попадании солнечного света), который имеет размеры в несколько микрометров (3..9 мкм) и образует единичный пиксел (точку) электронного изображения (см. рис. 3б). Как правило на поверхности ПЗС-матрицы распологается несколько тысяч фотодиодов, которые все вместе в конечном счете формируют электронное изображение, состоящее из нескольких тысяч точек (пикселей). Располагается ПЗС-матрица в том месте, где образуется сконцентрированный пучок света, на выходе из телескопического комплекса КА.
Линза |
|
Корпус телескопа |
|
|
|
Корпус ПЗС-матрицы |
|||||
|
|
|
|
Линза |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фотодиоды |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f1 |
f2 |
|
б) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Лучи света, отраженные |
Сконцентрированный |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
||||
с поверхности Земли |
пучок света |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
||||
f1 , f2 - фокусные расстояния телескопа
а)
Рисунок 3 - Целевая оптическая аппаратура КА (а - телескопический комплекс ; б - ПЗС-матрица)
3)Оптические схемы зеркальных телескопических комплексов для КА ДЗЗ:
Внастоящее время для КА ДЗЗ используют зеркальные телескопы, так как с помощью зеркал можно обеспечить большую апертуру (диаметр) оптической системы и относительно малую длину телескопа при больших фокусных расстояниях. Ниже представлены различные компоновочные схемы зеркальных оптических телескопических комплексов, предназначенных для работы в составе КА.
На рисунке 4 представлена оптическая схема телескопа с центральным расположением вторичного зеркала. На этом рисунке введены следующие обозначения: 1 - корпус телескопа;
2
Курс «Введение с специальную технику
2 - кронштейн установки вторичного зеркала; 3 - вторичное зеркало; 4 - бленды; 5 - световые лучи; 6 - главное зеркало; 7 - корпус крепления фотоприемного устройства; 8 - фотоприемное устройство; 9 - линзовый корректор поля.
Рисунок 4 – Оптическая схема телескопа с центральным расположением вторичного зеркала
На рисунке 5 представлена оптическая схема телескопа без затенения. На этом рисунке введены следующие обозначения: 1 - корпус телескопа; 2 - главное зеркало; 3 - вторичное зеркало; 4 - фотоприемное устройство; 5 - входящие световые лучи; 6 - световые лучи, отраженные от главного зеркала; 7 - световые лучи, отраженные от вторичного зеркала.
Рисунок 5 – Схема оптической системы без затенения
На рисунке 6 представлена схема оптической системы с зеркалом переотражения. На этом рисунке введены следующие обозначения: 1 - корпус телескопа; 2 - главное зеркало; 3 - фотоприемное устройство; 4 - вторичное зеркало; 5 - зеркало переотражения; 6 - узел установки зеркала; 7 - бленда телескопа; 8 - входящие световые лучи.
Рисунок 6 – Схема оптической системы с зеркалом переотражения
На рисунке 7 представлена схема четырехзеркального телескопа с элементами подстройки. Основным преимуществом такой системы является малая длина телескопа, следовательно, и малая его масса. Однако высокие требования к зеркалам по точности их изготовления пока препятствуют промышленному освоению таких систем. На этом рисунке введены следующие обозначения: 1 -главное зеркало; 2 - вторичное зеркало; 3 - третье зеркало; 4 - четвертое зеркало; 5 - фокальная плоскость; 6 - пентагональный отражатель системы автоматическй фокусировки; 7 -
3
Курс «Введение с специальную технику
автоколлиматоры системы автоматической юстировки по углу и по длине; 8 и 9 - оптические насадки к автоколлиматорам; 10 и 11 - плоское контрольное зеркало и триппель-призма (к системам автоматической юстировки).
Рисунок 7 – Оптическая схема четырехзеркального телескопа с элементами подстройки
4)Внешний облик КА оптического ДЗЗ:
ВКА оптического ДЗЗ большую часть объема и массы занимает телескопический комплекс, который, как правило, помещается в специальный отсек (отсек аппаратуры наблюдения). Большая часть элементов других бортовых систем размещается в других отсеках.
Некоторые варианты общего вида КА оптического ДЗЗ показаны на рисунке 8.
Рисунок 8 - Возможные варианты общего вида КА оптического ДЗЗ
4
Курс «Введение с специальную технику
5) Расчет геометрических и массовых характеристик телескопического комплекса КА:
Рассмотрим модель телескопического комплекса КА ДЗЗ на рисунке 9.
DТК |
|
DЛ |
Телескопический |
|
|
|
комплекс КА |
LТК
F
Hорб
B
Участок земной поверхности
Рисунок 9 – Геометрическая модель телескопического комплекса КА ДЗЗ
На рисунке 9 указаны следующие проектные параметры, описывающие телескопический комплекс КА ДЗЗ:
LТК - длина телескопического комплекса;
DТК - диаметр телескопического комплекса;
DЛ - диаметр оптического элемента телескопа (линзы или зеркала);
F - фокусное расстояние оптической системы телескопа;
Hорб - высота орбиты КА;
B - ширина полосы обзора оптической аппаратуры КА ДЗЗ.
Рассчитаем геометрические и массовые характеристики телескопического комплекса, изображенного на рисунке 9:
1.Считаем, что заданы следующие параметры, связанные с оптической аппаратурой КА ДЗЗ:
R - требуемое пространственное разрешение оптической аппаратуры (м);
LП - размер одного фотодиода (элемента) ПЗС-матрицы (мкм);
Hорб - высота круговой орбиты КА ДЗЗ (км);
B- ширина полосы обзора оптической аппаратуры КА ДЗЗ (км).
2.Рассчитаем фокусное расстояние оптической аппаратуры используя приближенное выражение (1):
F |
LП |
H |
|
(1) |
|
орб |
|||
|
R |
|
||
|
|
|
||
На рисунке 10 изображена схема взаимосвязи параметров высоты орбиты и телескопического комплекса КА ДЗЗ.
5
Курс «Введение с специальную технику
Рисунок 10 - схема взаимосвязи параметров высоты орбиты и телескопического комплекса КА ДЗЗ
3. Рассчитаем ширину ПЗС-матрицы ( LМАТР ) исходя из условий покрытия заданной полосы обзора B :
B F
L (2)
МАТР Hорб
4.Определим диаметр оптического элемента (линзы или зеркала) телескопического комплекса КА ДЗЗ по выражению (3):
DЛ kПР LМАТР |
(3) |
где kПР - коэффициент превышения диаметра оптической линзы (зеркала) над шириной ПЗС-матрицы (этот коэффициент для современных лучших оптических систем по статистике находится в пределах от трех до четырех единиц, то есть kПР 3..4 , и выбирается исходя из условий минимизации искажений)
5. Определим диаметр телескопического комплекса КА ДЗЗ по выражению (4):
DТК kТК DЛ |
(4) |
где kТК - коэффициент превышения диаметра корпуса телескопического комплекса над диаметром оптического элемента (линзы или зеркала)
6. Определим длину телескопического комплекса LТК |
по выражению (5): |
||
L |
F |
|
(5) |
|
|||
ТК |
k f |
|
|
|
|
||
где k f - коэффициент превышения фокусного расстояния телескопического комплекса
над его длинной (уменьшение длины телескопического комплекса достигается за счет установки вторичных зеркал и линзовых корректоров, для современных лучших оптических
|
систем не более трех-четырех единиц, то есть |
k f 3..4 ) |
|||||
7. |
Определим объем телескопического комплекса по выражению (6): |
||||||
|
VТК |
D2 |
|
|
|
||
|
ТК |
(6) |
|||||
|
4 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
8. |
Определим массу телескопического комплекса по выражению (7): |
||||||
|
M |
ТК |
M уд |
V |
(7) |
||
|
|
|
ТК |
|
ТК |
|
|
где MТКуд - удельная масса телескопического комплекса (кг/м3), которая по данным статистики составляет 130..180 кг/м3.
6
Курс «Введение с специальную технику
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Что такое пространственное разрешение оптической аппаратуры КА ДЗЗ.
2.Какие основные компоненты входят в состав оптической аппаратуры КА ДЗЗ.
3.Объясните устройство оптической схемы телескопа с центральным расположением вторичного зеркала.
4.Объясните устройство оптической схемы телескопа без затенения.
5.Объясните устройство оптической схемы телескопа четырехзеркального телескопа с элементами подстройки.
6.Объясните устройство оптической схемы телескопа с зеркалом переотражения.
ЗАДАНИЕ
1)Рассчитайте массу телескопического комплекса ( MТК ) и геометрические характеристики телескопического комплекса ( LТК , DТК , DЛ ) используя исходные данные из таблицы 1.
2)Составьте чертеж телескопического комплекса в уменьшенном масштабе (виды спереди, сбоку, сверху).
Исходные данные для расчетов приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Исходные данные для расчетов
№ |
R , |
Hорб , |
LП , |
B , |
kПР |
kТК |
k f |
уд |
, |
варианта |
MТК |
||||||||
м |
км |
мкм |
км |
|
|
|
кг/м3 |
||
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
300 |
3 |
10 |
3 |
1,1 |
3 |
130 |
|
2 |
2 |
300 |
3 |
20 |
3 |
1,1 |
3 |
130 |
|
3 |
3 |
300 |
3 |
20 |
3 |
1,1 |
3 |
130 |
|
4 |
4 |
300 |
3 |
40 |
3 |
1,1 |
3 |
140 |
|
5 |
5 |
500 |
6 |
60 |
3 |
1,1 |
3 |
140 |
|
6 |
6 |
500 |
6 |
60 |
3 |
1,1 |
3 |
140 |
|
7 |
7 |
500 |
6 |
50 |
3 |
1,1 |
3,2 |
140 |
|
8 |
2 |
400 |
6 |
30 |
3,5 |
1,1 |
3,2 |
150 |
|
9 |
3 |
400 |
6 |
50 |
3,5 |
1,1 |
3,2 |
150 |
|
10 |
4 |
300 |
6 |
50 |
3,5 |
1,1 |
3,2 |
150 |
|
11 |
5 |
700 |
6 |
30 |
3,5 |
1,2 |
3,2 |
150 |
|
12 |
7 |
700 |
6 |
40 |
3,5 |
1,2 |
3,2 |
140 |
|
13 |
10 |
700 |
9 |
40 |
3,5 |
1,2 |
3,2 |
140 |
|
14 |
0,3 |
400 |
9 |
10 |
3,5 |
1,2 |
3,2 |
140 |
|
15 |
0,5 |
300 |
9 |
10 |
4 |
1,2 |
3,3 |
140 |
|
16 |
1 |
500 |
9 |
20 |
4 |
1,2 |
3,3 |
140 |
|
17 |
2 |
500 |
9 |
30 |
4 |
1,2 |
3,3 |
140 |
|
18 |
6 |
300 |
9 |
20 |
4 |
1,2 |
3,3 |
140 |
|
19 |
3 |
300 |
9 |
10 |
4 |
1,2 |
3,3 |
140 |
|
20 |
2 |
500 |
9 |
10 |
4 |
1,2 |
3,3 |
140 |
|
7