CC BY
67
УДК 681.785.574
Г. Г. Горбунов, И. Н. Сивяков, О. К. Таганов, В. Б. Шилов
ФГУПНПК„Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова"
Санкт-Петербург
ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПРИЕМНИКОВ
В ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРИИ
Исследуются особенности использования многоэлементных фотоприемников в спектральной аппаратуре типа фурье-спектрометра. Выявлены положительные качества, которые приобретает интерференционная спектральная аппаратура в случае применения многоканального приемника излучения.
Ключевые слова: фурье-спектрометрия, видеоспектрометрия, гиперспектральные приборы.
Первые опыты использования гиперспектральных видеоспектрометров при дистанционном зондировании Земли со спутников и самолетов были проведены в интересах геологоразведки для поиска рудных, нефтяных и газовых месторождений. Информация, получаемая с видеоспектрометров, представляет собой двухмерные изображения исследуемой местности, сформированные в различных спектральных интервалах с образованием так называемого „куба данных" [1]. Если видеоспектрометр регистрирует информацию в более чем сотне спектральных интервалов, его называют гиперспектральным, при регистрации более тысячи интервалов — ультраспектральным [2]. Уже при использовании первых разработок гиперспектральных видеоспектрометров было идентифицировано более ста минералов, накоплена статистика данных и создан каталог спектральных особенностей этих минералов. В настоящее время осуществляется гиперспектральная идентификация динамических природных объектов: сельскохозяйственных культур, лесов, водных сред, защитных сооружений и т.д.
Исследования атмосферы, состава ее газов, аэрозолей и водяных паров показали необходимость ультраспектрального разрешения в широком спектральном диапазоне, хотя и при более низких пространственных разрешениях.
Увеличение объема регистрируемого „куба данных" осуществляется путем усовершенствования всех основных элементов видеоспектрометра: осветителя, кодирующего устройства и приемника излучения (чаще всего — матрицы), но наибольшее значение имеет элемент, кодирующий спектральную информацию, т.е. спектрометр. Создание гипер- и ультраспектральных видеоспектрометров на основе фурье-спектрометра с многоэлементными приемниками (фотоприемными матрицами — ФПМ) значительно улучшает основные характеристики прибора, увеличивает объем получаемых данных и отношение сигнал/шум [3].
Использование фурье-спектрометров с многоэлементными приемниками обеспечивает максимальные возможности для развития и совершенствования видеоспектрометрической аппаратуры. В ФГУП НПК „ГОИ им. С. И. Вавилова" (Санкт-Петербург) создан базовый модуль фурье-спектрометра, который может работать как в режиме спектрофотометра, так и спектрорадиометра [4].
Структурная схема этого прибора приведена на рис. 1, здесь:
1 — входной объектив модуля; при использовании модуля в качестве спектрорадиометра представляет собой сканирующее зеркало, направляющее исследуемый поток излучения в спектрорадиометр, при работе в качестве спектрофотометра — объектив, направляющий излучение в измерительную часть фурье-спектрофотометра;
2 — источник излучения референтного (монохроматического) канала — стабилизированный метрологический лазер;
3 — неподвижное зеркало интерферометра (в качестве такого зеркала может использоваться и зеркальный триэдр);
4 — система юстировки неподвижного зеркала интерферометра;
5 — светоделительный узел;
6 — подвижное зеркало интерферометра (также может использоваться зеркальный триэдр);
7 — задающие генераторы системы подвижки зеркала интерферометра;
8 — частотно-фазовый дискриминатор системы подвижки;
9 — усилители системы электродинамической подвижки зеркала интерферометра;
10 — система арретирования механизма подвижки, используемая при транспортировке модуля фурье-спектрометра для предохранения механизма от повреждения;
11, 12 — электронно-оптические датчики рабочего положения подвижного зеркала интерферометра, предназначенные для ограничения работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) сигнала основного канала фурье-спектрометра вне рабочего положения зеркала;
13 — предварительный усилитель приемника референтного канала;
14 — полосовой усилитель сигналов референтного канала;
15 — усилитель-формирователь импульсов запуска АЦП сигнала интерферограммы основного канала, соответствующих, с точностью до ±2°, определенной фазе сигнала референтного канала;
16 — выходной конденсор, фокусирующий излучение основного канала, прошедшее через интерферометр, на фотоприемник, при использовании многоэлементного приемника — формирующий на нем изображение исследуемой сцены;
17, 17' — одноэлементный или многоэлементный фотоприемник излучения основного канала;
18, 18' — предварительные усилители сигнала, поступающего с каждого элемента фотоприемника;
19, 19' — полосовые усилители сигнала основного канала;
20 — коммутатор сигналов многоэлементного фотоприемника основного канала;
21 — аналогово-цифровой преобразователь сигналов интерферограмм основного канала;
22 — согласующее устройство (интерфейс) выхода АЦП с управляющим компьютером;
23 — управляющий компьютер, типа PC Pentium 4 или Notebook HP Omnibook XE 4500, с помощью которого производится запись, запоминание и последующая обработка интерфе-рограмм основного канала фурье-спектрометра;
24, 25 — источник излучения и приемник дополнительного канала „белого света", этот канал предназначен для определения положения нулевой разности хода лучей в интерферометре.
Внешний вид прибора с системой охлаждения приемника представлен на рис. 2.
В разработанном фурье-спектрометре установлен глубокоохлаждаемый приемник (Ge—Cu), имеющий 2 линейки по 14 элементов в каждой и работающий в спектральном диапазоне от 3,0 до 15 мкм. Размер единичного элемента 0,2*0,1 мм , при этом длинная сторона приемника ориентирована вдоль линейки. Время регистрации интерферограммы со всех 28 приемников менее 5 с. Спектральное разрешение не хуже 0,5 см-1. Число точек каждой интерферограммы около 10 тыс., разрядность АЦП — 14. Для снятия интерферограмм использовался один АЦП, переключение его входного сигнала осуществляется с помощью коммутатора, последовательно подключающего соответствующий приемник к входу АЦП. Первая ячейка приемника подключалась по импульсу, соответствующему определенной фазе референтного канала. Следовательно, ошибки скорости перемещения подвижного зеркала системы не сказывались на измерении сигнала интерферограммы этой ячейки. Однако переключения коммутатора синхронизированы только во времени, при этом не отслеживаются возможные
Рис. 1. Структурная схема фурье-спектрометра с многоэлементным приемником
мгновенные изменения скорости подвижного зеркала. Переключение приемников осуществляется с интервалом в 2 мкс, скорость перемещения подвижного зеркала составляет около 2000 мкм/с, следовательно, максимальная ошибка при определении разности хода лучей для последнего подключенного приемника в коротковолновой части спектра составит уже около 4 % от длины волны, что необходимо учитывать при дальнейшей обработке информации.
Рис. 2. Вид фурье-спектрометра с многоэлементным охлаждаемым приемником
Кроме того, для каждого отдельного элемента обеих линеек приемников истинная разность хода отличается от разности хода, отсчитываемой по референтному каналу, за счет появления дополнительного угла между лучом распространения излучения, регистрируемого референтным каналом, и лучом излучения каждого отдельного элемента приемника основного канала, что также необходимо учитывать для точной привязки шкалы волновых чисел.
При изменении положения точечного объекта на малоразмерном приемнике значительно изменяется и интерферограмма. В зависимости от расположения точечного объекта относительно оси приемника можно получить интерферограммы различного вида — от симметричной до полностью асимметричной (чисто синусной) и даже перевернутой (максимум симметричной интерферограммы становится отрицательным). При исследовании этого явления было доказано [5, 6], что оно связано с остаточной разъюстировкой интерферометра, которая в той или иной мере присутствует в приборах. Как теоретически, так и экспериментально показано, что в сканирующем интерферометре с остаточной разъюстировкой при наблюдении точечного источника амплитуда, глубина модуляции и начальная фаза интерференционного сигнала существенно зависят от соотношения размеров аберрационного изображения точечного источника и приемника, а также от их взаимного расположения [6]. Значение начальной фазы интерферограммы (фазовый спектр) содержит информацию о положении точечного источника в поле зрения сканирующего интерферометра. Определение значения начальной
фазы в интерферограмме позволяет определить величину рассогласования центров изображения точечного источника и приемника, много меньшую размеров элемента приемника [5, 6].
На рис. 3 показаны экспериментальные фазовые спектры (зависимость ф(у) фазы ин-терферограммы в точке нулевой разности хода от волнового числа) и спектрограммы атмосферы (зависимость В(у) спектральной яркости от волнового числа), полученные при испытании прибора: на рис. 3, а — спектрограмма В(у), полученная прямым расчетом из экспериментальной интерферограммы, а на рис. 3, б — рассчитанный фазовый спектр ф(у) той же интерферограммы; на рис. 3, в — мнимая (1т) и реальная (Яе) составляющие спектрограммы с учетом фазового спектра, а на рис. 3, г — окончательный результат — реальная составляющая рассчитанного спектра, свернутая с функцией фазовой коррекции (К0(у)). Анализ рисунка наглядно показывает влияние фазового спектра на истинный вид спектрограммы исследуемой атмосферы.
а) б)
Рис. 3. Фазовый спектр и спектрограммы атмосферы
Как известно, при использовании в фурье-спектрометре многоэлементных приемников аппаратура приобретает следующие преимущества [3]:
— получение дополнительной информации (осуществляемое с помощью фазовых спектров фурье-спектрометра с многоэлементным приемником), которую можно использовать для распознавания наличия излучающего точечного подвижного объекта (в его поле зрения) и определения направления движения;
— определение направления на точечный излучающий объект с точностью не хуже одной десятой величины элемента приемника;
— возможность использования фурье-спектрометра с многоэлементным приемником не только в качестве кодирующего элемента спектровизора, но и в качестве датчика волнового фронта адаптивного телескопа по произвольному или искусственному объекту.
Вместе с тем, однако, необходимо проведение дополнительных расчетов, позволяющих учесть непараллельность лучей излучения референтного канала и каждого элемента многоэлементного приемника, возможные ошибки при определении разности хода лучей вследствие запаздывания при считывании информации, получаемой от различных приемников, а также фазовый спектр зарегистрированной интерферограммы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Hardin R. W. Hyperspectral imaging: how mach is hype? // Photonic Spectra. 1997. N 7. Р. 82—92.
2. Coetz A. F. H., Vane G. et al. Imaging spectrometry for Earth remote sensing // Science. 1985.Vol. 228, N 4704. P. 1147—1153.
3. Горбунов Г. Г., Еськов Д. Н., Рябова Н. В., Серегин А. Г. Новые применения фурье-спектрометров с многоэлементными приемниками // Оптич. журн. 2005. Т. 72, № 8. С .71—77.
4. Афонин А. В., Давыдов В. С., Горбунов Г. Г., Решетников А. И. Наземный спектрометрический комплекс для исследования содержания антропогенных газов в пограничном слое атмосферы и валидации спутниковых измерений // Там же. 2004. Т. 71, № 11. С. 72—76.
5. Горбунов Г. Г., Гридин А. С., Дубков В. И. и др. Сигнал в сканирующем двухлучевом интерферометре с остаточной разъюстировкой при точечном источнике излучения // Оптика и спектроскопия. 1989. Т. 67, вып. 5. С. 1204—1207.
6. Бурмистров Б. Н., Воронич В. Б., Горбунов Г. Г., Дубков В. И. Пространственные свойства сигнала в сканирующем двухлучевом интерферометре при малоразмерном источнике излучения // Там же. 1991. Т. 70, вып. 1. С. 208—210.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
оптико-электронных приборов и систем 14.01.08 г.
СПбГУ ИТМО
