CC BY
123
2 2.4. РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ
^ СПЕКТРАЛЬНОГО, АНАЛИТИЧЕСКОГО
И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРИИ
Г.Г. Горбунов
В настоящее время различают так называемые классические спектральные приборы, осуществляющие кодировку пространства длинами волн (призмы, решетки, интерферометр Фабри-Перо и т. д.), и новые приборы, кодирующие длинами волн электрические частоты (фурье-спектрометры (ФС) и адамар-спектро-метры) [1]. Среди последних наиболее успешно развиваются фурье-спектрометры.
Значительные преимущества приборов, построенных на этом принципе, по сравнению с классическими спектрометрами были сформулированы как в самом начале развития [2, 3], так и на более поздней стадии [4]: большая светосила (QS) (большой телесный угол, из которого может собираться исследуемое излучение при том же спектральном разрешении); одновременность регистрации всех спектральных интервалов (m) (мультиплексность); точность привязки шкалы волновых чисел о по одному внутреннему эталону; большой диапазон реализуемых спектральных разрешений (do), определяемых только величиной реализованной разности хода в плечах интерферометра; большая ширина одновременно регистрируемого спектра (Ло), ограничиваемая только пропусканием оптики и чувствительностью приемника; отсутствие влияния рассеянного света; однозначность конструкторских и методических решений при построении приборов в очень широких диапазонах исследуемого спектрального интервала и спектрального разрешения. Столь большой перечень преимуществ, позволяющий получить выигрыш отношения сигнал/шум в регистрируемом спектре до нескольких порядков, обусловил стремительное развитие приборов, основанных на этом принципе. В начале своего развития ФС использовались главным образом для длинноволнового участка спектра (X > 20 мкм). В настоящее время имеются ФС, работающие от 0,2 мкм. Серийный ФС фирмы BRUKER IFS 120HR [5] имеет спектральное разрешение 0,002 см-1 , т. е. относительное разрешение в стандартном спектральном диапазоне достигает 2400000, и работает в спектральной области от 42000 до 5 см-1 , т.е. от 0,24 до 2000 мкм (стандартная область 4800-450 см-1, т.е. от 2,08 до 22,2 мкм). Относительная погрешность привязки шкалы волновых чисел в этом приборе не хуже 0,5*10-7, а абсолютная не хуже 5х10"7см-1. На основе микротехнологий разработан самый миниатюрный на настоящее время ФС [6], имеющий размеры 5*4*3 мм, работающий в видимой области спектра 550-700 нм и обеспечивающий спектральное разрешение ЛХ = 4 нм на X = 633 нм. Подавляющее большинство космических спектрометров, особенно для ИК области спектра, работают также на этом принципе.
Установив матрицу фотоприемников в фокальной плоскости выходного коллиматора и снимая отдельные интерферограммы с каждого пиксела (каждого элемента матрицы), можно получить одновременно как спектральное разрешение в зависимости от достигнутой за время сканирования подвижного зеркала разности хода, так и пространственное разрешение по двум координатам пространства в за-
висимости от числа элементов в строках и столбцах приемной матрицы. Так было сформулировано еще одно новое преимущество динамических (изменяющих разность хода во времени) фурье-спектрометров над классическими приборами. В последних при постановке матрицы на выходе спектрального прибора получаем спектральное разрешение только по одной координате, а по другой координате получаем пространственное разрешение, что иногда усложняет привязку и обработку сигнала.
В отличие от динамических фурье-спектрометров, в которых изменение разности хода ведется во времени, в статических фурье-спектрометрах изменение разности хода осуществляется в пространстве, например, наклоном одного из зеркал интерферометра Майкельсона или использованием интерферометра сдвига [7]. Отсутствие подвижных частей дает возможность использования этих приборов даже в УФ области спектра. При использовании линейки приемников возможна максимально быстрая регистрация интерферограммы, ограничивающаяся только быстродействием приемника и величиной регистрируемого сигнала. Энергетические соотношения сигнал/шум в статических ФС ближе всего к классическим по-лихроматорам. Но, как и всем ФС, им присущ большой геометрический фактор, даже превосходящий геометрический фактор динамических ФС [7], широкий рабочий спектральный диапазон, возможность точно привязать шкалу длин волн по одному калибровочному эталону.
Еще одной интересной особенностью фурье-спектрометров является наличие так называемого фазового спектра интерферограммы [8]. По виду фазового спектра интерферограммы можно определить истинное направление излучения системы источник-приемник для каждой длины волны и наличие движения регистрируемого объекта и направления его движения во время регистрации интерферограммы [8-10]. Дополнительную информацию, извлекаемую из фазовых спектров фурье-спектрометра с многоэлементным приемником, можно использовать для распознавания наличия излучающего точечного подвижного объекта в его поле зрения и определения направления движения.
Дальнейшим развитием аппаратуры зональной спектрометрии, которая хорошо зарекомендовала себя при распознавании и идентификации объектов не только по их внешним физическим параметрам, но и по внутренним физическим и химическим свойствам, являются видеоспектрометры. Эти приборы объединяют в своем составе как аппарат изображения объекта с определенным пространственным разрешением, так и спектральную аппаратуру [11].
Спектральная информация видеоспектрометра обеспечивает получение данных поглощения, отражения и теплового излучения исследуемых естественных и искусственных объектов при различных условиях освещения и состояния окружающей среды, а пространственная информация позволяет судить о форме и размерах, о состоянии движения или покоя, в котором находится объект. Важность применения спектральной информации при формирования изображений, прежде всего в инфракрасных лучах, широко признается в гражданских, коммерческих, научных и военных кругах всех развитых стран. Методы использования информации, содержащейся в пространственно-спектральных гиперкубах данных, полученных видеоспектрометрами, с одной стороны, являются установившейся практикой, с другой стороны -продолжают интенсивно развиваться [12, 13].
До сих пор использование видеоспектрометров ограничивалось их высокой стоимостью и сложностью обработки большого количества информации. Однако значительные успехи оптических технологий и вычислительной техники способствуют разработке многообразных конструкций различных типов видеоспектрометров для дистанционного зондирования Земли со спутников для решения многочис-
ленных задач экологии, поиска полезных ископаемых, картографии, сельского хозяйства и специальных задач.
Увеличения объема снимаемого «куба данных» идет путем усовершенствования всех основных элементов видеоспектрометра: осветителя, кодирующего устройства и используемого приемника (чаще всего - матрицы), но наибольшее значение имеет элемент, кодирующий спектральную информацию, т.е. спектрометр. Как уже было сказано ранее, в настоящее время максимальную чувствительность обеспечивают фурье-спектрометры.
Движение носителя и стремление уменьшения «смаза» снимаемого изображения требует либо очень быстрого снятия всей информации исследуемой сцены, что значительно превышает возможности передающих линий связи, либо применения специальных отслеживающих устройств, что приводит к снятию достаточно узких полос пространства. Борьба со «смазом» и увеличение времени снятия информации могут быть осуществлены в приборах, имеющих одновременно две координаты разрешаемого пространства. К таким приборам можно отнести только фильтровые видеоспектрометры (за исключением клиновых), акустооптические видеоспектрометры и фурье-спектрометры.
Почти все фильтровые приборы могут использоваться только в многоспектральных видеоспектрометрах (имеющих не более десятка спектральных полос), так как количество сменяемых спектральных полос в них ограничено. Акустоопти-ческие видеоспектрометры в настоящее время практически могут быть использованы только при малых размерах входных объективов. Применение фурье-спектрометров с многоэлементными приемниками позволяет получить практически любое число разрешаемых спектральных интервалов (ограниченных только возможной частотой снятия информации и получаемым отношением сигнал/шум). Кроме того, за счет наличия двух координат разрешаемого пространства, реализуемых в сканирующих фурье-спектрометрах, можно значительно увеличить время регистрации единичной интерферограммы (спектра).
Структуры статических ФС в силу их простоты и надежности также, безусловно, выгодно применять в видеоспектрометрах, но необходимо учитывать, что здесь может использоваться только одна координата пространственного разрешения.
Вместе с тем, несмотря на значительное увеличение отношения сигнал/шум в гиперспектральных видеоспектрометрах при применении фурье-спектрометров с ФПМ, дальнейшее увеличение «куба данных» при требуемых величинах отношения сигнал/шум может быть получено только при увеличении диаметра входного осветителя (телескопа). Практически единственно возможным путем увеличения диаметра космического телескопа (при требовании минимальных весов используемой аппаратуры) представляется применение адаптивных систем [14]. Одной из больших сложностей в разработке подобных систем до сих пор остается создание системы, позволяющей измерять деформации поверхностей (или элементов) адаптивной оптики и вводить соответствующую коррекцию во время эксплуатации. Чаще всего такие системы называются датчиками волнового фронта ( ДВФ).
Имеется большое количество разработанных ДВФ, работающих на разных принципах. Оптимальным можно считать решение, позволяющее соединить в одном приборе как функции спектрометра, обеспечивающего получение необходимой спектральной информации, так и функции ДВФ, обеспечивающего выработку сигналов обратной связи для коррекции деформаций оптической системы во время эксплуатации. Как уже сообщалось [15], фурье-спектрометр с многоэлементным приемником отвечает этим требованиям. Он может быть использован как ДВФ, работающий по внутреннему или внешнему опорному источнику. При этом, кроме
обычной информации, получаемой с ДВФ, использующего классические схемы, с многоэлементного фурье-спектрометра можно получить (обработав короткие двухсторонние интерферограммы) фазовые характеристики сигнала для каждой длины волны регистрируемого источника, что может значительно повысить точность получаемой информации. В соответствии с [16], фурье-спектрометр может работать и как ДВФ по произвольному объекту.
В настоящее время в программах военных вооружений всех высокоразвитых стран после проведения крупных военных операций США обязательно присутствуют разработки гиперспектральных спектровизоров, охватывающих не только уже испытанный диапазон 0,4-2,5 мкм, но и «атмосферные окна» в ИК области спектра 3-5 и 8-12 мкм. Следовательно, само создание широкодиапазонного гиперспектрального спектровизора является необходимым для целей разведки в любых развитых странах. Необходимо выбрать наиболее перспективные современные способы спектральной селекции, позволяющие при максимальной возможности дальнейшего развития этого вида аппаратуры сократить габариты и веса, повысить чувствительность, расширить охватываемый спектральный диапазон и увеличить спектральное разрешение, унифицировать разрабатываемые узлы аппаратуры.
Анализ отечественных и зарубежных разработок показывает, что широкое использование бортовых многоспектральных ОЭС является одной из ведущих тенденций развития космических систем дистанционного зондирования Земли. Можно говорить о разработке второго поколения бортовых многоспектральных ОЭС. В различных стадиях проработки находятся до 50 программ дистанционного зондирования Земли из космоса с использованием многоспектральных ОЭС. Разрабатываемые бортовые многоспектральные ОЭС воплощают в себе новейшие технологические достижения в области электроники, оптики, передачи данных и обработки информации. При решении задач дистанционного зондирования Земли такие системы могут быть конкурентоспособными, рентабельными и представляют интерес для широкого класса потребителей.
США лидируют в разработках гиперспектральной аппаратуры и в настоящее время начали внедрение ее в область военного аэрокосмоса. Начало внедрения систем с еще большим числом спектральных каналов - ультраспектральных датчиков, предназначенных главным образом для анализа газообразных сред (химического, биологического и другого оружия массового поражения), ожидается пятью годами позже [17]). Экспериментальный КА MTI запущен 12 марта 2000 г. с комплектом аппаратуры, состоящим из фурье-спектрорадиометра, фурье-спектрометра и солнечного фотометра, охватывающими спектральный диапазон 0,4-13,9 мкм. Сочетание многоспектральных и тепловых изображений с высокоточной радиометрической калибровкой, одновременной коррекцией влияния параметров атмосферы на измерения, современный метод моделирования и анализа данных определяет МТ1 как наиболее совершенную космическую платформу для отработки перспективных систем наблюдения. Военный экспериментальный спутник ВВС США Mightysat-II.1 с гиперспектральным датчиком на основе призменного фурье-спектрометра Саньяка разработан исследовательскими лабораториями ВВС (Kestrel) и Мичиганского технологического университета. Mightysat-II.1 запущен в июле 2000 г. и по своим параметрам считается первой космической операционной системой гиперспектральной съемки.
Спутник ДЗЗ НАСА двойного назначения EO-1 (Earth Observing-1) запущен 21 ноября 2000 г. на РН Дельта-2 как экспериментальный перспективный КА-преемник серии спутников Лэндсат для полета в тандеме с Лэндсат-7 с целью сравнения характеристик обоих КА и испытания новой гиперспектральной системы изображения Hyperion и ряда других новых технологий. Отмечается спрос на данные датчика
Hyperion и со стороны коммерческих заказчиков - главным образом от нефтегазовой промышленности, геологических служб и разработчиков точного ведения сельского хозяйства. Для ВВС запуск ЕО-1 обеспечил получение гиперспектральных снимков театра военных действий США до и после бомбометаний. Опыт последних войн США подтвердил полезность гиперспектральной съемки замаскированных и спрятанных целей.
В 2003 г. НАСА по программе New Millenium запустило на ГЕО погодный спутник ЕО-3 стоимостью 105 млн. долларов c рядом устройств новых технологий, в том числе с фурье-спектрометром GIFTS-Geostationary Imaging Fourier Transform Spectrometer (фирма JPL) с несколькими сотнями спектральных каналов для определения спектральных свойств облаков и переноса загрязнений в атмосфере. Спутник будет измерять температуру, ветер, водяные пары, химический состав атмосферы с высоким разрешением и послужит основой разработки военного погодного спутника с гиперспектральной аппаратурой. В [1В] описана интересная разработка ИЛ ВВС США изображающего фурье-спектрополяриметра для ДЗЗ, работающего в режиме электронного сканирования рushbroom и способного создавать изображения сцен с независимыми характеристиками пространственной, спектральной и поляризационной информации. Сбор данных разной информации осуществляется последовательно. В последующих разработках будет реализован параллельный сбор данных в почти реальное время. Фирма JPL НАСА разработала изображающий ИК фурье-спектрометр Майкельсона для запуска в 2004 году на спутнике Aura программы ЕОS наблюдения Земли с главной целью картирования тропосферного озона, имеющий следующие параметры: спектральный диапазон 3,2-15,4 мкм, входная апертура 5 см, пространственное разрешение 0,5*5 км в надир, радиометрическая погрешность 1К, отношение сигнал/шум в спектре 30:1-600:1, ресурс 5 лет, габариты 1*1,3*1,4 м, масса 365 кг. Интересны японские разработки видеоспектрометров на основе фильтра Фабри-Перо в качестве альтернативы фурье-спектрометру Май-кельсона [19] и на основе зеркальной системы фурье-спектрометра Саньяка (габариты 202*185*100 мм, спектральный диапазон 0,3 В-1,1 мкм, максимальная разность хода 0,03 мм обеспечивает разрешение 329 см-1, ПЗС линейка с 512 детекторами с размерами 10 мкм) [20].
Перечень различных разработок гиперспектральной аппаратуры, представленных в литературе последних двух лет, может быть продолжен гораздо дальше с включением конструкций в целом и элементов аппаратного и программного исполнения, главным образом систем гражданского назначения (детали военных аэрокосмических систем не раскрываются). Приведенный перечень показывает важность и интенсивность проведения разработок гиперспектральной аппаратуры, продвижение развития ее технологий, отмеченное началом создания операционных аэрокосмических систем военного и двойного назначения.
Следовательно, развитие направления фурье-спектрометрии должно продолжаться по двум направлением. Первое, уже достаточно развитое во всем мире, -дальнейшее развитие аналитических лабораторных фурье-спектрофотометров широкого применения, трассовых фурье-спектрометров, полевых и полетных фурье-спектрорадиометров. Второе - значительное расширение применения статических и динамических фурье-спектрометров в составе полетных видеоспектрометров.
Литература
1. Толмачев Ю.А. Новые спектральные приборы. Принципы работы. Л., 1976. 125 с.
2. Конн Ж. Делуи Э, Конн П. И др. Инфракрасная спектроскопия высокого разрешения: Сб. статей: Пер. с франц. и англ. / Под ред. Жижина Г.Н., М.: Мир, 1971.
3. Vanasse G. Spectrometric techniques. V. 1, V. 2. N Y: Academic Press, 1981.
4. Горбунов Г.Г., Лазарев А.И., Малютин В.Н., Джаракян А.Л. Комплекс обзорно-спектрометрической аппаратуры МФС-Б // Оптический журнал. №5. С. 61-67.
5. IFS 120 HR // Brucer analitische messtechnik. GMBH, 1999. Karlsruhe 21.
6. Manzardo O., Morter C., Herzig H.P. Miniaturized time-scanning Fourier transform spectrometer using an electrostatic actutor // Proc. SPIE. 1999. V. 3749. P. 474-475.
7. Егорова Л.В., Ермаков Д.С., Кувалкин Д.Г., Таганов О.К. Фурье-спектрометры статического типа // ОМП. 1992. №2. С. 3-14.
8. Горбунов Г.Г., Гридин А.С., Камышенцев А.Д. и др. Реальные псевдофазовые спектры в фурье-спектрометрии // Ведомственный сборник. Сер. Х. 1987. В .220. С. 21-23.
9. Горбунов Г.Г., Камышенцев А.Д. Вычисление спектров излучения подвижных точечных объектов в многоканальной фурье-спектрорадиометрии // Ведомственный сборник. Сер. Х. 1984. В. 196. С. 58-61.
10. Горбунов Г.Г., Гридин А.С. и др. Обзорная многоканальная фурье-спектрорадиометрия // Ведомственный сборник. Сер. Х. 1989. В. 254. С. 36-40.
11. Hardin R.W. Hyperspectral imaging: How mach is hype? // Photonic Spectr. 1997/ №7. Р. 82-92.
12. Eismann М.Т. et al. Comparison of infrared imaging yyperspectral sensors for military Target detection applications // Proc. SPIE. 1996. V. 2819. P. 91-101.
13. Adams P.M. et al. Mineral mapping of the copper creek mining district using SEBASS infrared hyperspectral images //Abstr. 13th Int. Conf. on Applied Geologic Remote Sensing. Vancouver, 1999.
14. Еськов Д.Н., Бонштедт Б.Э., Лебедева Г.И., Родионов С.А. Внеатмосферные адаптивные телескопы (направления развития) // Оптический журнал. 1995. Т. 62. №10. С. 13-16.
15. Горбунов Г.Г., Еськов Д.Н., Рябова Н.В., Серегин А.Г. Видеоспектрометры для исследования планет // Сб. тез. Всеросс. астрономич. конф. СПб, 2001. С. 49.
16. Корепанов В.С. Датчик волнового фронта, работающий по изображению произвольного объекта // Оптический журнал. 1995. №10. С. 46-48.
17. AWST. 2002. V. 156. № 19. P. 56-8.
18. Applied Optics. 2001. V. 40. № 9. Р. 1450-1458.
19. Photonics Spectra. 2002. № 3. P. 30-31.
20. Applied Optics. 2002. V. 41. №3. P. 560-563.
