Текст
УДК 629.78.054.001.24
Оптико-электронные радиометры космических аппаратов. Н и-
колаев С. М., М., «Машиностроение», 1971, стр. 184.
В книге рассмотрены вопросы проектирования п расчета двух ос-
новных типов оптико-электронных радиометров для космических ап-
паратов — измерителя энергетической яркости и измерителя спек-
тральной плотности излучения. Изложены физические и технические
основы конструирования этих приборов и приведены их конструк-
тивные схемы и сведения, необходимые для проектирования.
Книга рассчитана па инженерно-технических работников, занима-
ющихся проектированием оптико-электронных приборов, и может
быть полезна студентам ВТУЗов.
Табл. 7. Иллюстр. 67. Библ. 36 назв.
2-6-5
130-71
ПРЕДИСЛОВИЕ
Оптико-электронные радиометры успешно применяют-
ся для решения задач исследования космического прост-
ранстваДсвязапп'ыЗГс измерениями на~расстоянии излуче-
ния космических тел (планет и звезд)7"~~^ ’
Обработка информации от бортовых радиометров дает
возможность судить о распределении температуры космй-'
ческих тед. Такая информация, поступающая, например,
с метеорологических искусственных спутников Земли, по-
зволяет решать следующие проблемы: исследование ра-
диационного баланса системы «земная поверхность —
атмосфера» для получения данных об энергетике Земли
как планеты; изучение вертикального распределения
температуры воздуха и строения атмосферы; прослежива-
ние облачности ночью по данным о пространственном рас-
пределении уходящей длинноволновой инфракрасной ра-
диации системы «земная поверхность — атмосфера» [17].
Оптш<о-элсктронные ^радиометры^установленные па
борту межпланетной станции, могут решать такие же _
задачи й в отношении яру nix ила пет Солнечной системы.
На борту самолетов и па’спёцйальпых наземных установ-
ках с помощью оптико-электронных радиометров можно
получить данные о температуре излучения различных
объектовв воздухе и на земле и об окружающих йх”фо-
нах. Эти данные являются исходными для проектирова-
ния различных оптпко-элсктроппых устройств^
В настоящей монографии делается попытка система-
тически изложить основы проектирования и расчета
радиометров, предназначенных для исследования косми-
че с ко го п ростр а и с т в а.
В книге рассматриваются два типа инфракрасных ра-
диометров: бортовой автоматический радиометр (БАР),
предназначенный для измерения энергетической
3009 3
космических тел в заданных спектральных диапазонах и
радиометр для измерения спектрального распределения
энергии излучения космических тел с заданным пределом
спектрального разрешения (БАС).
В главе I рассматриваются вопросы проектирования
оптических каналов БАР. В главе II описываются особен-
ности конструирования электронных каналов БАР. В гла-
ве III приводятся сведения о точности измерения яркости
источников бортовым автоматическим радиометром.
В главе IV дается методика энергетического расчета
радиометра.
В главах V и VI излагаются те же вопросы, но приме-
нительно к спектрорадиомстру со щелевым дифракцион-
ным монохроматором и интерферометром Майкельсона.
Все БАР и БАС, рассматриваемые в настоящей моно-
графии, предназначены для измерения только протяжен-
ных излучателей.
Автор приносит благодарность канд. техн, паук
С. П. Степановой, оказавшей большую помощь в работе
над второй главой книги.
Автор выражает признательность проф., д-ру техн,
наук С. В. Елисееву, д-ру техн, наук Ю. Г. Якушенкову,
канд. техн, наук В. Й. Курушину и инженерам В. А. Хрус-
талеву, М. Д. Нейману. А. И. Милюкову. Н. В. Зеровой,
И. С. Фадеевой, Б. 3. Беренштейну и Е. И. Михайловой,
сделавшим ряд цепных замечаний по рукописи книги.
Все замечания читателей по книге следует направлять
по адресу: Москва, Б-66, 1-й Басманный пер., 3,
и з д - в о « М а ш и н о с тр о е н и е ».
Глава I
ОПТИЧЕСКИЕ КАНАЛЫ БОРТОВОГО
АВТОМАТИЧЕСКОГО РАДИОМЕТРА
1.1. НАЗНАЧЕНИЕ И БЛОК-СХЕМА
Бортовой автоматический радиометр (БАР), предназ-
наченный для измерения яркости протяженных излучате-
лей, это оптико-электронная система, сконструировать ,
так, чтоёГьт напряжение электрического сигнала на выходе
было пропорционально яркости наблюдаемого радиомет-
им ю *< 11 и m««iii и и ** “ " * — II > II — .
Рис. 1.1. Блок-схема БАР
ром излучателя и не зависело от расстояния до излуча-
теля.
На рис. 1. 1 приведена общая блок-схема оптико-
электронного радиометра:
1 — оптическое приемное устройство (ОПУ);
2 — приемник лучистой энергии (ПЛЭ);
3 — электронный канал (ЭК);
4 — регистрирующее устройство (РУ).
В результате теплообмена между исследуемым ис-
точником и приемником лучистой энергии с помощью
ОПУ чувствительная площадка ПЛЭ облучается перемен-
ным потоком ДФ. Приемник лучистой энергии преобразу-
ет переменный поток ДФ в напряжение переменного
5
электрического тока At/. Электрический сигнал АП с вы-
хода ПЛЭ поступает в электронный канал, где усилива-
ется и преобразуется в напряжение постоянного тока VP
Величина выходного сигнала Vp пропорциональна ампли-
туде сигнала на выходе приемника лучистой энергии. Вы-
ходной сигнал радиометра записывается в регистри
рующем устройстве.
Конструктивно в блок-схеме БАР следует различат!
три части. Оптическое приемное устройство и при
лучистой энергии образуют оптический канал радиометра.
В оптическом канале осуществляется передача лучистых
потоков и преобразование их на основе фотоэффекта.
Электронный капал передает и преобразует энергию
электрического тока, поступающего в него из оптического
капала. Электронный капал радиометра строится из ти-
повых электронных схем, удовлетворяющих основному
требованию линейности усиления и преобразования сиг-
нала А(/ в выходной сигнал Рр.
Что касается регистрирующего устройства, то па борту
космических аппаратов этот блок отсутствует в комплекте
радиометра и заменяется блоками записи информации
системы телеметрической передачи сигналов бортовой ап-
паратуры космического аппарата на командно-приемную
станцию на Земле.
При лабораторных испытаниях радиометров вне кос-
мического аппарата в качестве регистрирующего устрой-
ства используются различные типы магнитофонов. При
использовании радиометров на борту высотных ракет с
кратковременным полетом на сравнительно небольшие
высоты над поверхностью Земли в некоторых случаях
возможна запись выходного сигнала радиометра специ-
альными самописцами. Лента с записью выходного сигна-
ла радиометра сбрасывается на Землю в специальной
бронированной кассете. Таким образом, комплект борто-
вого автоматического радиометра для космического ап-
парата включает только радиометрическую головку и
блоки электронного канала с блоком электропитания.
Радиометрическая головка объединяет оптическое
приемное устройство и приемник лучистой энергии, т. е.
оптический канал. Выход электронного капала радиомет-
ра подключается к входному блоку системы телеметричес-
кой бортовой передачи па Землю. Для читателей, не зна-
комых с принципом устройства телеметрической передачи
.6
информации с летательных аппаратов на Землю, приво-
дится в приложении 1 структурная схема телеметрической
передачи ИСЗ «Тирос-П». /Радиометрическая головка
может быть установлена на борту космического аппара-
та в открытой или в герметизированной установке/
(см. разд. 1.7).
Бортовые радиометры предназначены для измерения
яркости космических тел в различных спектральных диа-
пазонах. Оптические каналы в зависимости от спектраль-
ного состава принимаемого излучения должны иметь раз-
личные оптические системы и приемники лучистой энер-
гии. Поэтому в одном радиометре могут быть несколько
оптических каналов. Кроме того, в инфракрасных радио-
метрах, как будет показано в дальнейшем, наряду с кана-
лами, принимающими излучение от исследуемых источ-
ников, необходим оптический канал опорного излучателя,
создающий начало_отсчета для абсолютных измерении
яркости исследуемых источников излучения.
В дальнейшем исследуемый радиометром источник из-
лучения, заполняющий все поле зрения оптической систе-
мы радиометра, будем называть одним словом — источ-
ник.
Оптический канал, принимающий излучение источни-
ка, назовем измерительным оптическим каналом, опти-
ческий канал, принимающий излучение опорного излуча-
теля, — опорным.
Бортовой радиометр должен быть полностью автома-
тическим. Это значит, что все процессы (контроль состоя-
ния каналов, наведение на источник, измерение яркости
источника, запись результатов измерений) должны про-
текать без всякого участия оператора на борту космичес-
кого аппарата. На борту искусственного спутника Земли
(ИСЗ) и межпланетной автоматической станции (МАС)
управление радиометром при переходе от одной операции
к другой проводится командами с командно-приемной
станции по радиосвязи между космическим аппаратом и
Землей.
Состояние радиометра контролируется по результатам
наблюдения радиометром специального эталонного излу-
чателя, расположенного на борту. Эта операция носит
название «эталонирование».
Наведение на источник осуществляется при стабили-
зации космического аппарата. Искусственный спутник
7
Земли или межпланетная автоматическая станция в по-
лете представляют собой свободные твердые тела, кото-
рые кроме поступательного движения совершают враща-
тельные движения вокруг центра массы. На борту ИСЗ и
МАС имеются специальные устройства, с помощью кото-
рых можно прекратить вращение летательного аппарата.
Бортовой радиометр закреплен на спутнике жестко,
так что его оптическая ось располагается под постоянным
утлом к оси симметрии спутника и имеет определенное
направление в пространстве. Для ИСЗ и МАС этим на-
правлением является направление местной вертикали,
т. е. направление «центр массы летательного аппарата —
центр массы планеты».
Искусственный спутник Земли может быть стабилизи-
рован также вращением всего спутника вокруг его оси
симметрии в плоскости орбиты (возникает гироскопиче-
ский момент). В результате спутник движется по орбите,
сохраняя направление, оси вращения параллельным са-
мому себе.
1.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ
ОПТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ
Конструкция оптического капала должна обеспечи-
вать пропорциональность лучистого потока от источника
на входе приемника лучистой энергии, независимо от
расстояния до источника. Теоретически это положение
может быть описано линейным уравнением с постоянным
коэффициентом, зависящим только от постоянных кон-
структивных параметров оптического канала.
Выведем сначала это уравнение для идеального ра-
диометра. Идеальным будем считать такой радиометр, в
Если в световом поле, окружающем источник излуче-
ния, поместить две малые диафрагмы (экраны сДтверсти-
ями в них), то_.нш<акая часть лучистой энергии, прошед-
шей последовательно _оба отверстия ^диафрагмы
(рис. 1.2J, не выйдет за пределы линейчатой поверхности,
построенной па контурах отверстий и M2N2. Часть
котором на приемник лучистой энергии падает поток голь- пространства, ограниченная этой поверхностью, является
vn л'г иптпииик-й R ыяряпкнпм пяпнлмртпа плтпк ня Rxnne световой трубкой. Если диаметр трубки имеет исчезающе
малые размеры по сравнению с ее длиной, то она может
представлять физический световой луч? Ось О\О2 такой
световой трубки представит световой луч в понимании ге-
ометрической оптики.
Обобщая понятие о световой трубке, возьмем в свето-
вом поле два как угодно ориентированные элемента dqi
>' dq2 (рис. 1.3). Соединяя["лучами каждую точку элемен-
9
ко от источника. В идеальном радиометре поток на входе
ПЛЭ равен разности потоков от источника и от приемни-
ка лучистой энергии.
ПЛЭ излучает в сторону источника поток, соизмери-
мый по величине с потоком от источника. Поэтому в иде-
альном радиометре поток на входе приемника лучистой
энергии является результатом теплообмена только между
источником И ПЛЭ.
8
Уравнение идеального радиометра можно записать в
виде
ДФ=Кр(/?ц—£плэ), (1*1)
где Зц — энергетическая яркость источника (цели);
Аплэ —энергетическая яркость ПЛЭ;
/<р — коэффициент пропорциональности;
ДФ — результирующий поток па чувствительной
площадке ПЛЭ.
Очевидно, что уравнение (1. 1)' может быть принято
как уравнение радиометра только в том случае, если КР
не зависит от расстояния до источника. Для того, чтобы
выяснить условие, при котором коэффициент Кр будет за-
висеть только от конструктивных параметров оптическо-
го канала, необходимо ввести понятие о световой трубке.
Оптическая система радиометра предназначена только
для переноса лучистой энергии от источника к приемнику?
Поэтому в теории радиометров нельзя пользоваться та-
ким основныМ-ЛО.нятием геометрической оптики как .свето-
вой луч. С физической точки зрения световой^луч^гео-
метрическая линия) не может быть «носид.елем>д энергии....
ЭнергияПйонсет быть локализована в некотором объеме,
в части пространства [8]. Процесс переноса лучистой энер-
гии протекает в некотором ирш^тр^нстве^1£0хорр_е_^_жно
назвать световым полем. Физический световой луч в све-
товом поле ограничивает часть пространства (имеет ка-
кие-то поперечные размеры)7 т."е. является световой
трубкой.
ж ______________. —
построенной па контурах отверстий и M2N2. Часть
та dqi с каждой точкой элемента dq2, мы получим ограни-
ченную некоторой линейчатой поверхностью элементар-
ную световую трубку, обладающую тем свойством, что ни
один из прстроенных таким образом лучей невывдст^за
пределы трубки, ограниченной линейчатой поверхностью.
При этом элементами dq\ и dq2 могут быть отверстия в
некоторых экранах, наконец, элемент dq\ может принад-
лежать некоторой излучающей поверхности, а элемент
Рис. 1.2. Схема световой трубки
dq2 — поверхности приемника лучистой энергии или на-
оборот. Таким образом, под элементарной световой труб-
кой будем понимать часть светового поля, ограниченного
линейчатой поверхностью, образованной лучами, соединя-
ющими каждую точку элемента dq\ с каждой точкой эле-
мента dq2.
Элементарная световая трубка, приведенная па
рис. 1.3, обладает в оптически однородной среде следую-
щим свойством: произведение площади нормального се-
чения трубки (dq cost) и элементарного телесного угла
du, имеющего вершину в точке этого сечения, остается
инвариантным для любого сечения световой трубки:
C0S Z'l— cos Z2- (П 2;
Это инвариантное выражение нетрудно получить, учиты-g-
вая, что
, dq<>cosi2 .
— —— >
3 т?2
, dqi cos I]
du2 — —----------
2
где —расстояние между точками 01 и 02.
Уравнение (1.2)' является частным случаем ипвариан
та Штраубеля для однородной среды.
10
Лучистый поток через световую трубку выражается
как
d Ф—В dqdu cos i, (1.3)
где ИФ — лучистый поток, излучаемый элементом dq из-
лучающей поверхности в пределах элементар-
ного телесного угла du, ось которого составляет
угол I с нормалью к элементу dq\
В —яркость элементов dq в направлении оси пучка
лучей, т. е. в направлении, определяемом тем
Рис. 1.3. К определению понятия о световой трубке
Уравнение (1.3) выводим непосредственно, учитывая
понятие яркости как поверхностную и угловую плотности
потока.
Введем условия, упрощающие вывод уравнения бор-
ового радиометра для космических аппаратов.
1. Источниками излучения для радиометрических из-
мерений в космосе являются только протяженные излу- •
атели, поверхность которых всегда перекрывает поле
фения оптического капала радиометр а.
2. Источник — черныгГизлучатель _ с коэффициентом
^лучения^. принимаемым равным единице. Следователь-
ю, яркость излучения_источника не зависит от направле-
1 ия оси пучка (закон Ламберта).
3. Во всех точках поверхности, в^фзаем^л^еснум
тлом поля зрения радиометра (поверхность источника),
:ркость излучения постоянна.
4. Оптическая система радиометра узкопольная. Вели-
ина поля„ зрения не. превосходит У( телесный _ j/гол
)♦ 1б~3 стерад).
11
5. Виньетирование пучков, проходящих через оптич^тпотока, проходящего в оптическую систему через вход-
ной зрачок:
кую систему, не щюетместа.
6. Оптическая система радиометра используется толь-
ко для передачи лучистой энергии от источника к прием -
нику с коэффициентом оптического усиления. Поэтому
требованияПГразрешающей способности и качеству изоб-
ражсния-значительпо ниже, чем для систему. строящих
изображение объектов наблюдения.
7. Пространство между источником и входным зрач-
ком радиометра оптически однородно и абсолютно проз^
рачнб для лучистых потоков. Потерн мощности излучения принципа обратимости хода лучей:
источника в оптической системе за счет поглощения и
[ опЗ
рассеяния учитываются коэффициентом пропускания
тической. системы.
Рис. 1.4. Оптический канал радиометра как световая
трубка конечных размеров
При этих условиях оптический канал радиометра мож
•но рассматривать как световую трубку конечных разме
ров [8]. Передним сечением этой световой
трубки является источник с площадью заполняющее
телесный угол поля зрения соя. Телесный угол <оц с вер мает лучи всех длин волн от 0 до оо, можно от яркостей
шиной в центре источника является телесным апертурным перейти к температурам излучателей с помощью закона
углом оптической системы в пространстве предметов. Се
чеиие с площадью является входным зрачком объекти
ва. Приемник лучистой энергии с чувствительной площад
кой ^нлэ расположен в фокальной плоскости объектив,
на фокусном расстоянии f1. <ои —телесный апертурный де
угол в пространстве изображений (рис. 1.4).
Распространяя на оптический канал радиометра свой!
ства световой трубки, получим следующее уравнение дл|
12
Фц = 3ц<7Л cos I = йц%<7„.
Поток, облучающий чувствительную площадку
ника,
Ф ц ’— и & ц<7 ПЛЭ (Ои — ТИ ц03и# и •
Поток, излучаемый приемником лучистой энергии через
оптическую систему в направлении источника, в силу
ПЛЭ — плэши<7плэ — Ти^ ПЛЭ ^иСОи*
Результирующий поток в результате теплообмена ме-
жду источником и приемником лучистой энергии можно
записать уравнением
ДФи=тиюк<7н (5Ц —^илэ), П-4)
где ти—коэффициент пропускания оптической системы
измерительного канала.
Сравнивая уравнения (1. 1) и (1.4), видим, что коэф-
фициент пропорциональности в уравнении идеального ра-
диометра равен произведению коэффициента пропуска-
ния .площади входного зрачка и телесного угла поля зре-
ния оптической системы радиометра и не зависит от рас-
стояния до источника.
Этот вывод справедлив при соблюдении перечислен-
ных выше семи условий.
Электрический сигнал на выходе электронного
и де а л ьного р а дном етр а
канала
Когда радиометр является неселективным, т. е.
прини-
Стефана—Больцмана и составить следующее уравнение:
г р —• “у‘^л1/и'"и' и и * ила/,
J зт
/<у — коэффициент усиления электронного усили-
теля;
— вольтовая чувствительность приемника лу-
чистой энергии;
13
а — постоянная Стефана — Больцмана;
7‘и — температура источника;
Гплэ —температура приемника лучистой энергии.
Таким образом, получив с. помощью телеметрической
передачи с космического аппарата на командно-приемной
станции величину выходного сигнала радиометра, можно
вычислить значение яркости источника:
плз*
С = Ку5ис/я(оити—назовем коэффициентом передачи меж-
ду яркостью цели и выходным сигналом
радиометра.
Коэффициент передачи С равен произведению посто-
янных для данного радиометра конструктивных па-
раметров.
Как это следует из уравнения (1.7), для определения
яркости необходимо знать значение яркости приемника
лучистой энергии в момент измерения яркости источника.
Температура, а следовательно, и яркость приемника
лучистой энергии на борту космического аппарата может
все время колебаться, и измерить их очень трудно. По-
этому в конструкцию инфракрасного радиометра вводят
специальный опорный излучатель. Основным требовани-
ем к опорному излучателю является требование стабиль-
ности его температуры в течение всего времени полета
космического аппарата.
Оптическое приемное устройство и шф.р а красного ра-
диометр а включает два оптических капала: измеритель-
ный, принимающий излучение источника, и опорный, при-
нимающий излучение опорного излучателя. Оба капала
попеременно облучают одну и ту же площадку ПЛЭ. Это
делается с помощью модулятора. Конструкция модулято-
ра выполняется таким образом (разд. 1.3), что на вход
ПЛЭ поступают две периодические последовательности
импульсов потока (от источника и от опорного излучате-
ля) с промежутком по времени, равным полупериоду мо-
дуляции.
Если конструкция модулятора позволяет обеспечит!
равенство продолжительности импульсов, продолжитель
ности промежутков между ними (скважность рядов им
пульсов равна двум), то сигнал па входе приемника лу
чистой энергии можно рассматривать как синусоидаль
14
ный с амплитудой, равной разности потоков от источника
и опорного излучателя:
дФ = дФц—дФоп>
где ДФи—модулированный поток от источника;
дФ0П — модулированный поток от опорного излучате-
ля.
Оптический канал опорного излучателя так же, как
измерительный канал, можно рассматривать как световую
трубку конечных размеров. В этой трубке первое сечение
является выходным отверстием опорного излучателя, вто-
рое сечение — входной зрачок оптической системы опор-
ного канала и третьим сечением является приемник лу-
чистой энергии, общий для обеих световых трубок (изме-
рительного и опорного каналов). На основании инвариан-
та Штраубеля для однородной оптической среды поток от
опорного излучателя на приемнике
АФ©п ^оп^оп^он ^ПЛэ)»
здесь Топ, (Ооп, 7оп — соответственно коэффициент пропус-
кания, телесный угол поля зрения и площадь входного
зрачка оптической системы опорного канала. Выходное
отверстие опорного излучателя является люком входа
оптической системы опорного канала. Если конструкция
опорного канала позволяет обеспечить равенство
ТО
ДФ = ДФЦ—ДФОП =
— тисог/7и[(^п -^ПЛэ) — (^оп ^ПЛэ)] ~
== и (ц & он) • ( • ^7
Тогда вместо (1.4, 1.5, 1.6) будут иметь место сле-
дующие уравнения идеального радиометра:
>=КуШти (Bt- Яоп) = С (В,- Воп). (1.9)
Кр=Ку5А?„тй — (г4- Г4,), (1. 10)
де В0Т1 — яркость опорного излучателя;
Топ — температура опорного излучателя.
15
При этом яркость источника по выходному сигналу
радиометра определится как
в л-в . (1- и)
На рис. 1.5 приведена блок-схема инфракрасного ра-
диометра:
/ — оптическая система измерительного канала;
2 — опорный излучатель;
Рис. 1.5. Блок-схема радиометра с опорным излучателем
3 — оптическая система опорного канала, фокусирую-
щая поток от опорного излучателя па приемнике лучи-
стой энергии;
4 —модулятор общий для измерительного и опорного
каналов;
5 — приемник лучистой энергии;
6 — электронный канал.
В радиометрах для измерений яркости высокотемпера-
турных излучателей опорный излучатель может отсутст-
вовать, так как за начало отсчета можно Припять яркость
самого модулятора, полагая ее равной нулю. При темпе-
ратурах источников порядка 3000° К и температуре диска
модулятора меньше 320° К излучением модулятора мож-
но пренебречь и считать его равным нулю.
1аким образом, в инфракрасных радиометрах приме-
няется система модуляции «источник —опорный излуча-
16
гель», в то время как в радиометрах для коротковолновых
измерений — система «источник — модулятор».
При исследовании космического пространства требу-
ется, чтобы бортовой радиометр давал информацию не о
яркости какой-либо одной части поверхности планеты, а
давал бы распределение яркости вдоль всей исследуемой
части поверхности планеты.
Как известно [15], эта за дача может быть решена с по-
мощью скшццуу^ системы^
В бортовых радиометрах для космических аппаратов
применяются системы сканирования с оптико механичес-
кой разверткой поля обзора в пространстве предметов.
Такой радиометр называют сканирующим радиометром.
В сканирующем радиометре оптический канал имеет два
поля зрепия: мгновенное ноле зрения 2р ц. и поле обзора
2^003-
М1новенное поле зрения определяется отношением
стороны чувствительной площадки а ПЛЭ к фокусному
расстоянию объектива оптического капала f' (для опти-
ческой системы без конденсора):
63-ЧЦ
3 =—
< мг »
если 23 < 5°.
Поле обзора обеспечивается просмотром мгновенным
полем зрения излучающей поверхности планеты в тече-
ние заданного времени.
Максимальное значение поля обзора определяется вы-
сотой полета космического аппарата над поверхностью
планеты и радиусом планеты, как это слецует из схемы на
рис. 1. 6:
sin =
где /?з —радиус Земли;
Н — высота полета ИСЗ.
На схеме ODC — направление местной вертикали.
С этим направлением совпадает оптическая ось радио-
метра, находящегося в точке О при наблюдении в надир.
О Л и ОВ — направления оптической оси, при которых
эта ось касается поверхности планеты.
При наблюдении поверхности Земли с высоты 600 км:
ли принят равным 6370 км).
Большие высоты полета космических аппаратов по
сравнению со скоростью их полета приводят к малым
угловым скоростям перемещения радиометра относитель-
но поверхности планеты. Отсюда время просмотра необ-
ходимой поверхности относительно большое. Поэто-
Рис. 1.6. Схема, поясняющая расчет угла
обзора БАР
му радиометр может иметь узкое мгновенное поле
зрения при широком поле обзора. При сканировании пе-
ремещением оптической оси в пространстве предметов ве-
личина коэффициента передачи С в уравнении (1.11)
остается постоянной для всех углов сканирования. Поэ-
тому пропорциональность выходного сигнала Ур яркости
излучающей поверхности планеты сохраняется в преде-
лах угла обзора. Мгновенное поле зрения сканирующего
радиометра является его основным конструктивным па-
раметром.
Распределение яркости по поверхности планеты, да-
ваемое радиометром, будет тем ближе к истинному рас-
пределению яркости, чем меньше мгновенное поле зрения.
Пучки лучей от всех точек излучающей поверхности, вы-
резаемой мгновенным телесным углом поля зрения радио-
метра (сомг=лр2г), облучают одну и ту же чувствитель-
ную площадку приемника лучистой энергии. Поэтому на
выходе приемника лучистой энергии получается электри-
18
ческий сигнал, пропорциональный средней яркости цели.
Это и даст право считать при выводе уравнения (1.4),
яркость во всех точках поверхности в пределах мгновен-
ного ноля зрения радиометра постоянной.
Очевидно, что средняя яркость будет тем меньше от-
личаться от яркостей, соответствующих различным точ-
кам поверхности источника, чем меньше протяженность
этой поверхности, т. е. чем меньше мгновенное поле зре-
ния радиометра.
Мгновенное поле зрения оптического канала радиомет-
ра является его пространственным пределом разрешения.
В зависимости от величины поля зрения оптического
канала радиометра (мгновенного поля зрения для скани-
рующего радиометра) бортовые автоматические радио-
метры для космических аппаратов можно разделить на
радиометры с низким, средним и высоким пределом
пространственного разрешения. Так, например, для аме-
риканских бортовых сканирующих радиометров для ме-
теорологических спутников Земли мгновенное поле зрения
принято 5° для радиометра спутника «Тирос-П» и 0,5°
для радиометра спутника «Нимбус». Радиометр спутника
«Тирос-П» предназначен только для измерения яркости
поверхности Земли и со атмосферы, в то время как радио-
метр спутника «Нимбус» обеспечивает и построение кон-
туров облаков.
Таким образом, конструктивной схемой оптического
канала бортового автоматического радиометра, предназ-
наченного для измерения распределения яркости, являет-
ся схема сканирующей оптической системы. Узкое мгпо-
вешюед^ь^зрешгядлшьческой .системы проематривает'в
пространстве предметов поле_обзорд._
Для решения некоторых задач исследования косми- <Л
ческого пространства (измерения величины потока, излу-
чаемого всей наблюдаемой поверхностью планеты, опре-
деление альбедо планеты и т. и.) применяются широко-
польные несканирующие радиометры. Как будет показано
в дальнейшем, оптический канал широкопольного радио-
метра в большинстве случаев состоит только из защитно-
го стекла, фильтра, модулятора и приемника лучистой
энергии. В некоторых случаях вводят простейшую опти-
ческую систему с низким коэффициентом оптического уси-
ления. Например, на борту спутника «Тирос-П» наряду со
сканирующим узкопольным радиометром установлен ши-
19
рокопольнын радиометр. Оптическая система этого ра-
диометра обеспечивает поле зрения 50° и оптическое уси-
ление всего лишь 5х.
Схема расположения радиометров на борту искусст-
венного спутника Земли «Тирос-П» показана на рис. 1.7.
Земля
Рис. 1.7. Схема расположения радиометров и датчика
инфракрасного горизонта на ИСЗ «Тпрос-П»
Перейдем теперь к выводу уравнения инфракрасного
радиометра с учетом влияния внутреннего фона .Jia. вы-
ходной сигнал. Вну'грё~шнТй'фсяГв радиометре образуется
издуче^иёьГопт^ деталей его конст-
рукции. ЛуЗшсгыё'”потоки, излучаемые ^деталями конст-
рукции, попадая "на“приёмншу лучистой энергии, вызыва-
ют на его выходе электрический сигнал. Этот сигнал бу-
дем называть паразитным в отличие от полезного сигнала
от источника. В инфракрасном радиометре величина па-
разитного сигнала п^^Шоде^Э^^рЬиШЮ3 канала соиз-
мерима, а в пекотор~ых~случаях можетупревосходщъ по-
лезный сигнал. Поэтому в инфракраспом^радиометре вы-
20
ходпой сигнал следует .рассматривать как сумму' полез-
ного и паразитного сигналов:
Т о ч п ос м ате м а г и ч еское он пса н йе~ зависимости между
паразита и 'м~~сйп1албм ~н_я р ко сГьиДн ут р е н и его фона явля-
ется вёсыУ1~а~сложпой задачей. Температура различных де-
талей- радиометра, как правило, различна. Отдельные
оптические и механические детали расположены под раз-
ными углами относительно чувствительной площадки
ПЛЭ. Коэффициент излучения этих деталей также разли-
чен. Это объясняется свойствами материалов, из которых
изготовлены детали, формой и состоянием их поверхнос-
тей. Поэтому ограничимся выводом приближенного урав-
нения инфракрасного радиометра. Введем следующие
допущения, упрощающие задачу.
1. Все детали конструкции радиометра _имеют одну и
ту же ТемЦеРатУРУ> равную температуре .его’ наружного
корпуса — Тк.
2. Вместо учета излучения__всех деталей будем счи-
тать, что внутренний фон в измерительном и опорном ка-
налах образуется излучением одной оптической и одной
механической деталями в каждом канале, эквивалентны-
ми по мощности излучения всем деталям. При этом опти-
ческая деталь, создающая составляющую излучения внут-
реннего фона, расположена относительно ПЛЭ под эф-
фективным углом, равным телесному апертурному углу
в пространстве изображений coj для измерительного и со?,,
для опорного каналов; эффективные коэффициенты излу-
чения этих деталей обозначим соответственно и рол •
3. Составляющую излучения внутреннего фона за счет
механических деталей конструкции радиометра заменим
излучением детали, расположенной в каждом канале под
эффективным углом, равным ^дополнению телесного апер-
турного угла в пространстве изображений до полусферы
£л=2л—сои . ля измерительного и Ооп=2л—©?» для опор-
ного канала; эффективные коэффициенты излучения этих
деталей обозначим для измерительного и е?п —для
опорного каналов.
Допустим, что каждая, из выбранных таким образом
деталей, образуете приемгщком лучистой энергии свето-
вую трубку KOHe4iibixr^a3NiepoB7~“ Тогда, основываясьГпа
21
инварианте Штраубеля для однородной в оптическом от-
ношении и идеально прозрачной среды, можно прибли-
женное уравнение инфракрасного радиометра, полагая
его неселективным. написать в следующем виде:
= Ку5„ 4 [(7 ц — ГплэНаД +(7’’- Гг
л * Г
, о ор , ко '' 'ПИу-i
(£иши<7пЛЭ 4"£и^и(7плэ)]
— [(7"оп~ Гплэ)топ%п<7оП +
° fan _LcK о а
’о»7Ш1Э 1 '«п- опЧПЛЭЛ-
y'-'U
J Я
Ы -г 4
к ' ПЛ
ПИ
Преобразуем уравнение (1.12) для того, чтобы вы-
делить члены, характеризующие полезный и паразитный
сигнал. Для этого отняв и прибавив в правой части урав-
нения выражение
4 1<А—(^„-7’^э)г„оЛ,
J Л щл
получим
^р=К10л + Упар= Ку5в - (7 ц4- 71.) W„ +
. А
~ [(7\>п 7 плэ) (т11<ои<7<11““топ0)о11<7оп) Ь
J Л п„1А
4" (7\4— 7"пдэ)(£1Д°и7ш1ЭТ'£и^и<7плэ~
-4„>»£9Ъ-еоп2о„?™э)1- (1-13)
Как видно из уравнения (1. 13), сигнал на выходе ин-
фракрасного радиометра равен сигналу идеального ра-
диометра согласно (1. 10) и паразитному сигналу (вто-
рой член в прямоугольных скобках).
Для того, чтобы обеспечить измерение температуры
исследуемого излучателя с возможно большей точностью,
необходимо, чтобы
^и0)и^7и ^бп^оп^оп "
(1-14)
_и и । кГ) 0 0 -к О zr й
£иши<7плэ“1_е,1~н<7плэ —£оп0)оп^ПЛЭ соп‘--онЧПЛЭ~^ и‘
(1-15)
22
Выполнение условий (1. 14) и (1.15) может быть до-
стигнуто, если сконструировать опорный канал так, чтобы
^оп^ом^ои ==^и®и^7и*
00 „00.
~ОЛ®ОП--
£к О ' _=.КО
с(Н1-"оп —
Спектральные и геометрические параметры измери-
тельного канала определяются техническим заданием на
проектирование радиометра. Поэтому уменьшение влия-
ния внутреннего фона на входной сигнал должно обеспе- .
чиваться выбором спектральных и геометрических пара- I
метров опорного канала. -----*
Обеспечение равенства произведений конструктивных
параметров измерительного и опорного каналов называ-
ют «выравниванием каналов». у
Выравнивание каналов радиометра в основном о&х,-! у
печйвается при его проектировании. Некоторым образом о
хлучщ^ьдщзавнивание каналов можно и при изготовле-
нии радиометра. Для~ этого на gee оптические детали"*в
заводской л а боратории с помощью спектрофотометра
составляется паспорт со значениями величинных эффек-
тивных коэффициентов из^тучения7~Собраннь1Т]7адиометр
направляется измерительным и опорным каналамиПГа
один"й тот же л а бор а ториыйГэтал онный излучатель. Если
выравшгвание^аттэ'лб^ТдостагнУто достаточно^ точно, то
разность выходных сигналов должна быть близка к ну-
лю. Если этого^нст, то, меняя оптические детали, имею-
щие паспорт^ в опорно^канале, ’можно несколько повы-
сить точность выравнивания.
При выравнивании каналов надо учитывать, что излу-
чательная способность деталей зависит не только от ма-
териада^из которого цзготовл:ен а"деталь^ы
детали. Поэтому,например, если в измерительном канале
применено защитное стщсп^кр^иволинейной формы, то и
па вх'бде опорного капала следует иметь оптическую де-
таль той же формы.
Таким образом, наличие опорного канала в инфра-
красном радиометре имеет исключительно важное значе-
ние. Опорный канал обеспечивает начадо-лтсчета абсо-
лютных значений яркости источников и позволяет при
правильной его конструкции значительно уменьщитьлди- (
яние внутреннего фона на выходной сигнал. Однако на-
23
$
лнчие опорного канала усложняет конструкцию радио-
метра. Поэтому каждый раз при проектировании радио-
метра нужно оценить необходимость опорного канала
расчетом величин сигнала от источника и паразитного
сигнала. При этом сравнивать надо сигнал от источника
при его минимальной яркости и сигнал от внутреннего
фона при максимальной температуре корпуса радио-
метра.
Уменьшить величину паразитного сигнала можно с по-
мощью соответствующего_ расположения и конструкции
модулятора. Действительно, модулятор с модулирующим
диском, прерывающим периодически потоки от источника
и опорного излучателя, модулирует только излучения из-
лучателей, расположенных перед модулятором. Поэтому,
чем ближе к входу оптического канала расположен мо-
дулирующий диск, тем меньшее количество деталей будет
участвовать в образовании паразитного сигнала. Детали,
расположенные за модулирующим диском, дадут на вы-
ходе ПЛЭ смодулированный электрический сигнал, ко-
торый нс пройдет через усилитель переменного тока Как
будет показано в разд. 1.3, можцо__щнекоторых случаях
конструктивно так выполнить модулятор, что собственное
излучение модулирующего диска также не будет модули-
роваться и влиять на паразитный сигнал.
Если выравниванием каналов и конструкцией модуля-
тора влияние излучения внутреннего фона на выходной
сигнал радиометра сделано пренебрежимо малым, то
яркость источника может быть и в инфракрасном радио-
метре определена по уравнению (1.11). Основным за-
труднением в бортовых инфракрасных радиометрах явля-
ется обеспечение постоянства температуры излучения
опорного излучателя в течение длительного времени поле-
та космического аппарата. Так, для ИСЗ требуется нор-
мальное функционирование всей бортовой аппаратуры в
течение многих тысяч часов. Кроме того, большой труд-
ное'! ыо в настоящее время является разработка опорных
излучателей для БАР с температурами излучения ниже
300° К. Поэтому в настоящее время, как правило, для
БАР в качестве опорного излучателя используют излуче-
ние неосвещенной Солнцем части космического простран-
ства. Приближенно температура излучения неосвещенной
части космического пространства принимается равной
абсолютному нулю, т. е. Т'оп — 0° К- На этом основании
24
р уравнении (1.11) для инфракрасного БАР полагаем
и следовательно,
(1.16)
с о
где С = Ку<ои<7и5,//ти—коэффициент передачи.
При исследованиях космического пространства тре-
буется, чтобы бортовой радиометр измерял энергетичес-
кую яркость космических тел в определенных спектраль-
ных диапазонах^Для этого в оптический канал радиомет-
ра устанавливают оптические фильтры, образующие
спектральный капал с заданной спектральной шириной
полосы пропускания.
Кроме того, применяемые в радиометрах приемники
лучистой энергии являются селективными приемниками.
Даже теоретически неселективныс тепловые приемники
(болометры) практически имеют разную спектральную
чувствительность для некоторых участков длин волн.
Наконец, пропускание оптической системы радиомет-
ра также является функцией длины волны. Поэтому бор-
товые автоматические радиометры являются селективны-
ми приемными системами. Очевидно, что коэффициент пе-
редачи в уравнении селективного радиометра также
функция длины волны, и расчет яркости источника дол-
жен проводиться с учетом эффективного, а не интеграль-
ного потока от источника.
Эффективный поток представляет собой величину, от-
личающуюся от лучистого потока тем, что он оценивается
величиной реакции приемника. Следовательно, при опре-
делении его должна быть принята во внимание спектраль-
ная чувствительность оптического канала [8].
Выведем уравнепие селективного бордового автомати-
чсс.ц_ого радиометр a t При этом будем считать, что в ка-
честве опорного излучателя используется излучение не-
освещенной Солнцем части космического пространства,
яркость которого принимается равной 0. Кроме того, по-
лагаем, что влияние внутреннего фона инфракрасного ра-
диометра на выходной сигнал пренебрежимо мало.
Выходной сигнал селективного радиометра определит-
ся следующим уравнением:
со со
= Ку f b^KqaS(X) тоХЛ = Ку J Ф (X) S (X) т„хЛ, (1. 17)
о о
25
где ^ — спектральная яркость источника;
Sp-J—спектральная чувствительность ПЛЭ;
тох—спектральный коэффициент пропускания опти-
ческой системы;
Ф (X) — спектральное распределение потока от источ-
ника на входном зрачке оптического канала.
Перейдем от абсолютных значений спектральных ха-
рактеристик излучения источника и чувствительности
ПЛЭ к относительным. Тогда вместо выражения (1. 17)
получим
со
Vр=КуФтаДпах J <Р (X) Ф (X) то)дх,
о
(1.18)
где ?(А)-т“----относительная спектральная плотность по-
фшаХ Тока от источника;
Фтах— максимальная спектральная плотность по-
тока от источника;
, г > S (л)
Ф(А)=-—------относительная спектральная чувствитель-
5max НОСТЬ ПЛЭ;
5тах—максимальная спектральная чувствитель-
ность ПЛЭ.
Интеграл в уравнении (1. 18) может быть назван «эф-
фективной спектральной шириной полосы пропускания»
и принят в качестве спектральной характеристики опти-
ческого канала радиометра. Обозначая эту характеристи-
ку через ДАзф, получим уравнение селективного радио-
метра:
Ky^max^niax^ ^эфф = ^-у^тах^и^и^тахД^эфф» ( 1 * 1
то
Д\фф = $ ?(Х)ф(Х)т0?ДХ. (1.20)
о
Смысл уравнения (1.20) состоит в том, что_действие
на оптический канал лучистого потока с заданным спек-
тральным распределением эквивалентно действию излу-
чения СО спектральной ПЛОТНОСТЬЮ Фтах~ const на опти-
ческий канал, с коэффициентом пропускания тох и
приемником лучистой энергии, имеющим прямоугольную
спектральную характеристику в полосе шириной ДХэфф и
спектральной чувствительностью Smax внутри этой поло-
сы (рис. 1.8).
26
Уравнение селективного радиометра (1. 19) позволяет
определить по выходному сигналу радиометра макси-
мальную спектральную яркость излучения источника:
где
шах
— ^у^тах^и^и^^эфф
(1.21)
(1.22)
— спектральный коэффициент передачи.
Рис. 1.8. Спектральная характеристика БАР
Для определения температуры источника по макси-
мальной спектральной яркости надо знать закон спек-
трального распределения потока излучения от источника.
Излучение космических тел подчиняется закону Планка.
Тогда температура источника можёт быть определена из
уравнения
^=21,201(7, (Дф 3- =6,748(7,
С. 9 / О 2 /
где <7,=3,732-!()-“ ет/сл»;
(7,= 1,436 см!град, ------------—------•.
(с те рад • с-ч3)
Принятые при выводе уравнений радиометра упро-
шенные условия достаточно близки к действительным для
бортовых радиометров космических аппаратов. Действи-
тельно, поле зрения радиометра всегда задается таким,
чтобы поверхность исследуемой планеты была для радио-
метра протяженным излучателем. Из соображений необ-
ходимого пространственного предела разрешения это поле
зрения выбирается возможно меньшим для основного
сканирующего радиометра. Планеты и звезды являются
27
черными излучателями. К таким излучателям применим
закон Ламберта. Радиометр измеряет (в пределах
поля зрения своей оптической системы) среднюю яр-
кость цели, которая для всех точек поверхности источни-
ка постоянна. Распределение чувствительности по полю
зрения за счет виньетирования в правильно сконструиро-
ванных приборах должно иметь «столообразный» харак-
тер. Космическое пространство принимается идеально
прозрачным.
Если между поверхностью планеты и радиометром на-
ходится слой атмосферы, то необходимо предварительно
определить спектральный коэффициент пропускания это-
го слоя для излучения с заданным законом распределе-
ния спектральной плотности потока. В этом случае эффек-
тивная спектральная ширина полосы пропускания опти-
ческого канала рассчитывается по уравнению
СО
ДХИ> = [ <РW 'ИЧ TmTax-ZX, (1.23)
о
где Тах — спектральный коэффициент пропускания ат-
мосферы планеты.
Приведенные выше зависимости выходного сигнала
радиометра от яркости источника могут применяться
только для приближенных расчетов при проектировании
бортового радиометра.
Данные о яркости и температуре излучающей поверх-
ности космического тела па основании измерений борто-
вого радиометра получают, пользуясь специальной мето-
дикой с учетом дополнительных данных. При этом зави-
симость между выходным сигналом радиометра и яр-
костью измеряемого излучателя приведена на калибро-
вочных графиках (гл. III).
1.3. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ОПТИЧЕСКОГО КАНАЛА
Выбор принципиальной схемы оптического капала
бортового автоматического радиометра обычно основыва-
ется на учете следующих данных: тип радиометра, необ-
ходимость опорного канала, число и принцип формирова-
ния спектральных каналов, положение в схеме и конст-
рукция модулятора, тип оптической системы измеритель-
ного и опорного каналов, тип приемника лучистой
энергии.
28
Тип радиометра может быть указан в задании па про-
ектирование: сканирующий узкопольный радиометр или
несканирующий, обычно широкопольный радиометр.
Каждый из этих двух типов радиометров будет иметь
свою принципиальную схему. Наличие или отсутствие
опорного канала (это устанавливается предварительными
приближенными расчетами сигналов от источника и от
внутреннего фона) изменяет принципиальную схему оп-
тических каналов радиометра.
Спектральные каналы, т. е. оптические каналы с раз-
ной спектральной избирательностью, в зависимости от
указанного в задании их числа могут быть образованы
одним из следующих способов: один оптический фильтр
образует заданную полосу спектрального пропускания
оптического канала. В этом случае при задании несколь-
ких спектральных диапазонов в радиометре должно быть
столько же измерительных и опорных оптических каналов
с. разными фильтрами.
Эта же задача может быть решена переключающими-
ся фильтрами. Фильтры переключаются или по командам
с Земли или по программе. В этом случае в радиометре
имеют место два оптических канала (измерительный и
опорный) с одним приемником лучистой энергии и ди-
ском с набором фильтров.
Два спектральных канала могут быть образованы с
помощью светоделительной пластинки после модулятора.
Светоделительная пластинка делит потоки измерительно-
го и опорного каналов на два потока, падающих на два
приемника лучистой энергии, покрытых полосовыми
фильтрами. / ’*л
Оптическая система может быть зеркальной, линзовой
или зеркально-линзовой. Приемник лучистой энергии мо-
жет быть неохлажденный без иммерсии, иммерсионный
и охлажденный. Все это скажется на принципиальной
схеме оптических каналов радиометра.
В принципиальной схеме инфракрасного радиометра
следует основное внимание уделять созданию условий,
уменьшающих влияние излучения внутреннего фона на
выходной сигнал.
В качестве примера выполнения принципиальной схе-
мы оптических каналов сканирующего узкополы-юго бор-
дового радиометра для метеорологических спутников Зем-
ли и межпланетных автоматических станций на рис. 1.9,
29
1. 10, 1. 11, 1. 12, 1. 13 и 1. 14 приведены следующие схемы
[2, 30, 33].
Схема на рис. 1.9 может быть названа типовой из-за
ее широкого распространения для оптико-электронных
радиометров различного назначения.
В этой схеме измерительный и опорный оптические
каналы имеют каждый свою оптическую систему и общие
модулятор, оптический фильтр и приемник лучистой энер-
зчт
плз
О = 0,96
Рис. 1.9. Типовая принципиальная схема оптических каналов БАР
РЗ
гии. На рис. 1.9 в качестве опорного излучателя показа-
на модель черного тела [31]. При применении этой схемы
для космических летательных аппаратов вместо черного
тела может быть окно в неосвещенную Солнцем часть
космического пространства.
Измерительный канал включает окно (плоско-парал-
лельную пластинку) 1, объектив 3 и между окном и объ-
ективом сканирующее устройство (СКУ). СКУ па схеме
представлено зеркалом 2, вращающимся вокруг оси объ-
ектива. Объектив 3 состоит из основного зеркала и
контр-рефлектора. Оба зеркала с наружным отражаю-
щим покрытием.
Опорный канал включает окно 1 и объектив, состоя-
щий также из двух деталей: основного зеркала <5 и сек-
тора модулятора 6 с зеркальным покрытием в качестве
контр-рефлектора. Модулятор 6 расположен эксцентрич-
но по отношению к оси симметрии измерительного кана-
ла, и ось его вращения параллельна этой оси. Диск мо-
дулятора состоит из четырех секторов. Два сектора с
зеркальным покрытием с коэффициентом отражения,
30
близким к единице (для рабочего спектрального диапа-
зона радиометра). Два других сектора представляют
просто вырезы в теле диска. Модулятор вращается от
двигателя с постоянной угловой скоростью. При враще-
нии модулятора отверстиями в диске открывается доступ
излучению источника к ПЛЭ. При этом лучи проходят
через отверстие в модуляторе, отверстие в зеркале 5,
фильтр 7, окно ПЛЭ 8 и попадают на чувствительную
площадку ПЛЭ. На схеме представлен охлажденный
ПЛЭ с холодильником, поддерживающим заданную ра-
бочую температуру чувствительной площадки ПЛЭ.
При применении неохлажденного ПЛЭ (например,
болометра) холодильник отсутствует. Через каждые чет-
верть оборота модулятора отверстие в диске сменяется
зеркальным непрозрачным сектором. Зеркальный сектор
прерывает поток от источника и отражает к ПЛЭ поток
от опорного излучателя.
Таким образом, па выходе ПЛЭ образуются два ряда
импульсов в противофазе и результирующий электриче-
ский сигнал, поступающий на усилитель напряжения пе-
ременного тока, представляет разность сигналов, вызван-
ных облучением ПЛЭ потоками от источника и от опор-
ного излучателя. При этом результирующий сигнал бу-
дет модулирован с частотой, равной удвоенной частоте
вращения диска.
После усилителя результирующий сигнал проходит со-
ответствующие блоки формирования выходного сигнала
постоянного напряжения.
На рис. 1. 9 изображен также отдельно растр модуля-
тора, состоящий из двух прозрачных и двух непрозрачных
секторов. Недостатком принципиальной схемы БАР, при-
веденной на рис. 1.9, является ее сложность, заключаю-
щаяся в необходимости иметь два самостоятельных объ-
ектива для измерительного и опорного каналов.
Если перенести модулятор вперед между сканирую-
щим зеркалом и объективом измерительного капала и
расположить его диск под углом 45° к оси объектива
(рис. 1.10), то можно получить при одном объективе оба
капала. Такое упрощение схемы особенно рационально
при использовании в качестве опорного излучателя не-
освещенной Солнцем части космического пространства.
При наличии в схеме модели черного тела собственная
оптическая система опорного излучателя позволяет более
, -\Л.
31
конструктивно расположить опорный излучатель и более
точно отъюстировать опорный канал.
На рис. 1.11 приведена принципиальная схема БАР
спутника «Тирос-П». Этот спутник стабилизирован вра-
щением (см. рис. 1.7). Скорость вращения спутника
10 об jмин. Особенностью схемы сканирующего радиомет-
ра в этом случае является то, что его оба капала попе-
Рис. 1.10. Принципиальная схема оптических каналов с модулятором
перед объективом
ременно исполняют роль измерительного и опорного. По-
этому они должны быть строго идентичны, и оси обоих
каналов должны составлять угол 180°. Сканирование
также осуществляется за счет вращения всего спутника.
Как видно на рис. 1. И, вход ОПУ образован прямо-
угольной призмой 1. Катеты призмы отражают входные
пучки излучения источника опорного излучателя под пря-
мым углом и направляют их на модулятор 2. Диск моду-
лятора расположен таким образом, что пучки входных
лучей, отраженные призмой 1, падают на его поверхность
под углом 45° к оси вращения модулятора. Поверхность
модулятора непрозрачна для падающих лучей, и на нее
нанесен растр в виде двух сегментов. Один сегмент пред-
ставляет зеркальное покрытие с коэффициентом отраже-
ния, близким к единице. Второй сегмент покрыт черным
поглощающим покрытием с коэффициентом отражения,
близким к нулю (qi—>1 и р2—>0). Диск модулятора вра-
щается двигателем 3 с постоянной скоростью. При вра-
щении диска величины потоков, отраженных модулято-
ром, изменяются попеременно от максимума до миниму-
32
,! После отражения от модулятора потоки заполняют
соответствующие половины входного зрачка объектива 5.
предварительно пройдя через фильтр 4. Объектив фоку-
сирует пучки, отраженные зеркальной и черной полови-
нами растра модулятора па ПЛЭ 6. В результате враще-
ния диска модулятора на выходе ПЛЭ образуются два
ряда видеоимпульсов напряжения в противофазе. Резуль-
тирующий сигнал будет по величине напряжения пропор-
Рис. 1.11 Принципиальная схема оптического капала ска-
нирующего радиометра спутника «Тирос-П»
ционален разности потоков от источника и от опорного
излучателя и по частоте модулирован с частотой враще-
ния модулятора. Сигнал на выходе ПЛЭ в схеме, приве-
денной на рис. 1.9, отличается только глубиной модуля-
ции. В схеме, приведенной на рис. 1.11, глубина
модуляции будет зависеть от коэффициентов отражения
черного и зеркального покрытий модулирующего диска,
в то время как па предыдущей схеме она равна практи-
чески единице.
На рис. 1.12 показано относительное расположение
Деталей схемы радиометра на борту спутника. Особен-
ностью этой схемы является то, что модулятор вынесен
перед объективом, и используется одна система объек-
тив-фильтр как для измерительного, так и для опорного
каналов. Это значительно облегчает выравнивание кана-
лов. Паразитный сигнал, проходящий через усилитель, об-
разуется только излучением деталей, расположенных пе-
2 3009 33
ред модулятором. Поскольку в дайной схеме отсутствую!
защитные стекла, паразитный сигнал может образовать-
ся только собственным излучением призмы 1, если коэф-
фициенты излучения обеих ее граней не одинаковы. По-
этому в качестве входного блока в схеме используются не
Несши#
вертикаль
Рис. 1.12. Схема расположения оптического ка
мала радиометра на спутнике «Тирос-П»:
/—призма; 2—модулятор; 3—двигатель; 4—конденсор;
5—объектив; б—ПЛЭ
два зеркала, а целая призма из одного однородного куска
стекла. Излучение диска модулятора (собственное излу-
чение диска и отраженное им излучение деталей) не мо-
дулируется. Диск полностью заполняет поле зрения объ-
ектива и его изображение покрывает чувствительную шю-]
щадку ПЛЭ. Если чувствительность всех точек площадки
ПЛЭ одинакова, то излучение диска модулятора создает
постоянный сигнал па его выходе, непропускаемый уси-
лителем.
34
Недостатком этой схемы является то, что у объектива
для обоих каналов только половина входного зрачка ра-
бочая и. следовательно, компенсация потери светосилы
должна осуществляться выбором более чувствительного
ПЛЭ или применением иммерсионного ПЛЭ, как это и
сделано в БАР на спутнике «Тирос-П» для канала, из-
меряющего излучение водяного пара в атмосфере (спек-
тральный канал с минимальной яркостью источника).
Рис. 1.13. Принципиальная схема оптических каналов радиоскапи-
рующего радиометра межпланетной автоматической станции «Ма-
ринер-11»
На рис. 1. 13 приведена схема ОПУ инфракрасного
радиометра для межпланетной автоматической станции
«Марипер-П». Сканирование осуществляется вращением
всего корпуса прибора, закрепленного на антенне радио-
электронного радиометра, вокруг оси МАС — Солнце. По-
этому в схеме отсутствует сканирующее устройство
(рис. 1. 14). Стабилизация iMAC осуществляется системой
солнечной и звездной ориентации.
Измерительный канал (см. рис. 1.13) состоит из гер-
маниевого объектива 1, плоского зеркала 2, светодели-
тельной пластины 3. Светоделительпая пластина делит
падающий па нее поток на два потока, которые направля-
ются па спектральные фильтры и иммерсионные ПЛЭ 4
и 7. Светоделительная плоскопараллельная пластина 3
образует два спектральных капала радиометра, диапазо-
Ны длин волн которых определяются характеристиками
2*
35
фильтров. Опорный канал состоит из германиевого объ
ектива 5, ось которого составляет угол 45° с осью объекта
ва измерительного канала 1, сектора модулятора 6 с зер
кальным покрытием.
Диск модулятора расположен под углом 45° к оси объ
ектива б и имеет растр, состоящий из двух секторов с зер
Сз
Ч'ск
/;л
6/iP
Л/ЦПеННО''
радио
Корпус МДС
Ряс. 1.14. Схема установки оптико-элект-
ропного радиометра межпланетной стан-
ции «Маринер-П» на антенне радиометра
кальным покрытием и двух секторных прорезей (анало-
гично растру модулятора типовой схемы, приведенной па
рис. 1.9). Модулятор вращается от двигателя Р с посто-
янной скоростью. При вращении диска модулятора его
зеркальные непрозрачные секторы прерывают поток от
источника и направляют поток от опорного излучателя па
свстоделительную пластину и оба ПЛЭ. Прозрачные сек-
торы (отверстия), наоборот, пропускают на светодели-
тельную пластину и оба ПЛЭ только поток от источника
Результирующий сигнал на выходе каждого ПЛЭ будет
равен разности сигналов от источника и опорного излуча-
теля, как п в предыдущих схемах. В качестве опорногс
излучателя принимается излучение космоса. На диске
модулятора нанесен люминесцентный излучатель, кото^
рый, проходя мимо фотодиода 8, при каждом обороте дне-
36
вызывает сигнал, используемый в синхронном детекто-
к электронного капала в качестве опорного при детекти-
ровании сигнала от ПЛЭ.
С точки зрения уменьшения паразитного сигнала схе-
ма на рис. 1. 13 хуже, чем схема на рис. 1. 11. Модулиро-
ванный паразитный сигнал образуется собственным
излучением объективов, зеркала 2 и модулятора. Диск
модулятора то входит в поле зрения оптических каналов
своими непрозрачными секторами, то эти секторы выходят
из поля зрения и заменяются отверстиями, не имеющими
собственного излучения. В результате излучение зеркаль-
ных секторов модулируется с частотой модуляции потока
от источника.
При измерении излучения планеты Венеры были зада-
ны два спектральных диапазона 8,1—8,7 мкм и 10,2—
10,5 мкм. Измерения на метеорологических спутниках
«Тирос-П» проводились в пяти спектральных каналах:
5,7—6,9 мкм; 7,5—12 мкм; 7,5—30 мкм; 0,2—5,5 мкм;
0,55—0,75 мкм.
Спектральные каналы образуются оптическим фильт-
ром. Фильтры устанавливаются перед ПЛЭ так, чтобы
обеспечить одинаковый спектральный состав измеряемого
и опорного потоков облучающих ПЛЭ. В схемах, приве-
денных на рис. 1.9, 1. 10, 1.11, один фильтр образует один
спектральный капал с определенными пределами длин
волн. Для образования пяти каналов БАР для спутника
«Тирос-П» необходимо, по существу, поставить пять ра-
диометров. Пять ОПУ объединены только общим приво-
дом модуляторов, а в остальном ОПУ и электронные ка-
налы являются независимыми. В схеме, приведенной па
рис. 1. 13, ОПУ радиометра с помощью светоделительной
пластины имеет два спектральных канала. Каждый спект-
ральный канал имеет свой электронный капал. Такая схе-
ма позволяет уменьшить габариты БАР, по уменьшает
величины потоков в каждом спектральном канале за счет
светоделительной пластины, которая делит общий поток
от цели па две части. Поэтому для обеспечения в этом ра-
диометре нужной пороговой чувствительности необходимо
применять более чувствительные ПЛЭ.
Принципиальная схема широкопольного несканирую-
щего радиометра проще схемы сканирующего. Это объ-
ясняется требованиями более низкой точности измерений.
Широкопольный радиометр обладает низким пространст-
37
1
1
£
венным пределом разрешения и дает информацию о сред-
ней величине яркости большого участка поверхности пла-
неты или ее атмосферы. Так, при угле обзора (угле поля
зрения) 90° и высоте полета спутника 500 км яркость из-
лучения поверхности усредняется для ее. площади 1000Х
Х1000 км. Эта же площадь одновременно просматрива-
ется сканирующим узкопольным радиометром, который
и дает уточняющую информацию.
Широкопольный радиометр обычно состоит из одного
измерительного канала. Уменьшение величины паразит-
ного сигнала осуществляется только конструктивными
мерами, повышающими изоляцию ПЛЭ от теплообмена
с корпусом и деталями КА. Этот теплообмен имеет место
в результате лучеиспускания и теплопроводности детален,
связывающих ПЛЭ с другими деталями и блоками конст-
рукции. Меры по уменьшению радиационного и контакт-
ного теплообмена сводятся к применению материалов с
возможно меньшим коэффициентом излучения, установке
теплоизолирующих прокладок между ПЛЭ и прибором,
ухменъщению теплопроводности электропроводов и т. п.
Однако все эти мерьр могут иметь только частичное зна-
чение, и практически достигнуть идеальной изоляции
ПЛЭ от прибора не удается.
Широкопольность ОПУ обеспечивается или полным
отказом от оптической системы или применением простей-
ших оптических систем.
На рис. 1.15 приведена схема широкопольного радио-
метра для герметизированной установки его на ИСЗ.
Отверстие в борту ИСЗ герметизировано защитным
окном 7. Окну придана сферическая форма с центром
кривизны на площадке ПЛЭ так, чтобы главные оси пуч-
ков, облучающих ПЛЭ из всех точек поля обзора, прохо-
дили окно без преломления. Величина поля зрения опре-
деляется углом, образуемым диаметром защитного окна
и расстоянием до ПЛЭ. Оптическое увеличение равно еди-
нице. Диаметр пучка, облучающего ПЛЭ, определяется
приближенно диаметром площадки ПЛЭ. С увеличением
угла падения пучка на площадку чувствительность ПЛЭ
уменьшается. ПЛЭ располагается в специальном корпусе,
закрытом сферическим окном 2. В корпусе 3 перед ПЛЭ
установлен фильтр 4 и полусферический модулятор 5.
Модулятор приводится во вращение двигателем 6 с по-
стоянной угловой скоростью. Переменная составляющая
38
электрического сигнала с выхода ПЛЭ поступает в элект-
ронный канал 7, 8 для усиления, детектирования и фильт-
рации. Выходной сигнал передается па Землю во время
основной информации одновременно передаются показа-
температуры корпуса 2 и электронных
сеанса радиосвязи с командно-приемной станцией. Кроме
ния датчиков
блоков.
Рис. 1.15. Типовая принципиальная схема оптического
канала широкопольного радиометра для ИСЗ
Датчики температуры, например термисторы, уста-
навливаются на корпусе. Информация, полученная от ра-
диометра, расшифровывается с помощью градуировочных
графиков, причем учитывается температура корпуса (см.
гл. III).
Для защиты ПЛЭ от засветки высокотемпературными
излучателями (например, Солнцем), которые легко могут
оказаться в широком поле зрения радиометра, применяет-
ся система специальных бленд, прикрывающих от боко-
вых лучей входное окно 1 (бленды на схеме не показаны).
На рис. 1. 16 приведена принципиальная схема широ-
копольного БАР спутника «Тирос-П», предназначенного
Для решения специальной задачи определения альбедо
Земли. Эта схема представляет интересный пример реше-
ния конструктором радиометра довольно сложной задачи
очень простыми средствами. В астрономии альбедо пла-
неты называется отношение отраженного планетой сол-
39
печного излучения к полному солнечному излучению, па-
дающему от Солнца па планету.
Радиометр должен позволять при расшифровке
информации вычислять отраженное Землей излучение
Солнца и учитывать собственное излучение Земли.
Установка широкопольного радиометра па спутнике
«Тирос-П» открытая, поэтому защитные окна отсутствуют.
В качестве простейшей оптической системы используются
два конусных рефлектора с отражающим покрытием
Компенсирующие
чувствительные
элементы и
сопротивления
Термисторные
детекторы (болометры)
Разъем
Полиэфирная плёнка, покрытая слоем алюминия
Белое
покрытие
Л
А.
Рис. 1.16. Принципиальная схема оптических каналов
широкопольного радиометра спутника «Тирос-П» для из-
мерения альбедо Земли
покрытие
Контрольный
бусинковый
термистор
внутри из алюминия. Конусы образуют два канала радио-
метра. Установка широкопольного радиометра на спут-
нике выполнена так, что оба конуса своими входными от-
верстиями обращены к Земле и при вращении спутника
вокруг его оси не меняют своего направления визирования
(см. рис. 1.7).
На площадках в конце каждого конуса закреплены
ПЛЭ (термисторные болометры). Входное отверстие ко-
нуса равно 75 лш, высота конуса —50,8 л-ш. Диаметр чув-
ствительной площадки ПЛЭ — 5 лиг. При этих условия?
система рефлектор — приемник образует поле зрения (
распределением чувствительности по полю зрения, ука-
занному на графике на рис. 1. 17. Поле зрения с полно!
чувствительностью составляет 25°, с половинной чувст-
вительностью — 50°.
Термисторные болометры в обоих каналах совершен-
но идентичны по их параметрам, по отличаются наруж
ным покрытием чувствительной площадки: один боломст[
покрыт черным, второй — белым. Модуляция потока £
40
радиометре отсутствует и ПЛЭ выдают на телеметриче-
ские устройства сигналы напряжения постоянного тока
без усиления. Эти сигналы принимаются в телеметриче-
ской аппаратуре спутника высокочувствительным генера-
тором о модуляцией по частоте. Девиация частоты
выходного сигнала генератора определяется величиной
сигнала, поданного на генератор от радиометра. Модули-
Угол отклонены да центра поля зрения b град
Рис. 1.17. График распределения чувстви-
тельности по полю зрения в широкопольном
БАР спутника «Тирос-П»
рованный по частоте сигнал генератора поступает на
усилитель записи телеметрии одновременно с сигналами
каналов узкопольного сканирующего радиометра. Сигна-
лы от двух каналов широкопольного радиометра с по-
мощью временного переключателя поступают па вход
телеметрических устройств поочередно.
Оптическая система конический рефлектор — ПЛЭ
создает примерно пятикратное оптическое усиление.
Паразитный сигнал в такой системе создается собст-
венным излучением рефлекторов, попадающим на ПЛЭ,
и кондуктивной связью между чувствительной площадкой
ПЛЭ и крепежными деталями ПЛЭ на конусе. Для умень-
шения влияния радиационных и коидуктивных связей
между ПЛЭ и корпусом радиометра вся внутренняя по-
верхность его и площадки, на которой крепится ПЛЭ,
покрыты тонкой полиэфирной пленкой, обладающей низ-
41
кой теплопроводностью. Пленка, с одной стороны, пони
жает коэффициент излучения отражающей поверхности
рефлектора, а с другой стороны, крепление ПЛЭ па этой
пленке понижает теплопроводность между приемником и
корпусом радиометра.
Действие прибора основано па
разности
спектральных
лого покрытии, нанесенных на
приемки ки и зл уч е н и я. На
рис. 1. 18 приведены кривые
характеристик черного и бе
Рис. 1.18. Кривые спектральных
коэффициентов отражения бо-
лометров с черным и белым по-
крытием
характеризующие зависи-
мость коэффициентов отра-
жения чувствительных пло-
щадок приемников, покры-
тых черным и белым покры-
тием. Как видно из графи-
ков, белое покрытие отра
жает большую часть пото
ка, падающего на прием
ник в спектральном диапа
зопе от 0,2 до 4 мкм. Н<
этот диапазон спектра при
ходится более 99% энергш
излучения Солнца. За пределами 4 мкм белое покрытие
начинает поглощать падающий на него поток и в
спектральной области собственного излучения Земли по
глощает так же, как и черное покрытие.
Черное покрытие почти равномерно поглощает в<
всем спектральном диапазоне излучения Солнца и соб
ственпого излучения Земли. Таким образом, при измере
нии со спутника суммарного излучения Земли, включаю
щего отраженное Землей и ее атмосферой сол-неч
ное излучение и собственное излучение Земли, раз
ность между величиной потока измеренного термис
торным болометром с черным покрытием и болометров
с белым покрытием будет равна потоку отраженной сол
печной энергии. Поэтому, зпая по астрономическим дан
ным постоянную интегрального излучения Солнца, можне
вычислить альбедо Земли.
При полете спутника над частью Земли, находящейся
в тени, оба канала радиометра будут измерять толькс
собственное излучение Земли. Эти данные могут быть ис-
пользованы для контроля правильности действия каналов
радиометра.
42
L4. особенности конструкции элементов
ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ОПТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ БАР
Конструктивное оформление принципиальной схемы
оптических каналов БАР основывается па общих методах
[роектирования оптико-электронных приборов. Поэтому
здесь рассматриваются только особенности конструкции
отдельных узлов, связанные с условиями работы радио-
метров па борту космического аппарата и спецификой
решаемых задач.
Особенности конструкции сканирующего устройства
узкопольных радиометров
Конструкции сканирующих устройств (СКУ) в оптико-
электронных приборах, например, в. теплопеленгато-
рах, различного рода пирометрах достаточно подробно
рассматриваются в книге [15]. Конструкция СКУ
определяется в основном методом сканирования. В этом
отношении различают сканиро.вадие в пространстве пред-
метов и сканирование в пространстве изображений.
Как было установлено в разд. 1.2, в радиометрах крс-
мических аппаратов применяется метод сканирования^в
пространстве предметов. Движение дю орбите ЙСЗ с по-
"сдрянной HropfleTKib относительно Земли можно исполь-
зовать для сканирования вдбЖТфрёЖии орбиты на пб-
верхность 3емлй'*и_ОТраничйться в радиометре одномер-
ный! сканированием со стрбчпо'1^рвз75ёрткой~в направле-
нии, перпендикулярном направлению движения спутника.
Движение линии визирования____БАР в направлении,
перпендикулярцом плоскости орбиты, может осуществ- I
ляться вращением всего космического аппарата или вра- л
Щением корпуса БАР вместе с оптической системой отно-
сительно космического'аппарата? В этом случае в~ конст-
рукции оптического,приемного устройства' отсутствует
сканирующее устройство. Такой метод осуществления
Движения линии визирования можно назвать пассивным
сканированием.
Движение линии визирования БАР может быть осу-
ществлено оптическим прйёмным“устроиством при непо-
Движном корпусе радиометра. В этом случае, сканирова-
ке осуществляется обычно движением головного
Ркала (см. разд. 1.3) и может быть названо активным.
43
При конструировании DAP необходимо вычислить еле
дующие параметры СКУ:
Иску— число оборотов сканирующего зеркала;
тэл — продолжительность наблюдения одного эле
мента разложения поля обзора.
Рассмотрим сначала сканирование в плоскости орбиты
и выведем уравнение для скорости движения по орбите
ИСЗ в зависимости от высоты полета над поверхностью
Земли. В соответствии с принципом орбитального полета
спутника в поле тяготения Земли скорость _ движения
спутника najp асстояпии радиуса Земли от ее центр а будет
определяться формулой
'3>
где g — ускорение_сил_ы тяжести на поверхности Земли;
— радусТЗемли Яз = 637Г км;
tip —скорость движения спутника на высоте Я = 0;
И — высота полета спутника от поверхности 3 см л и.
Согласно~закону~Кеплера отношение квадратов пери-
одов обращения Tj> и Ту двух тел, вращающихся вокруг
центра поля тяготения, .цропорццрнально'отношению~ку-
бор, их.—расстояний центра тяготения и Я
12 а2
А А '
(1.25)
Учитывая равномерность- движения космических тел,
можно выразить периоды их обращения через орбиталь-
ные скорости:
2л/?! . — 2л/?2
/ г, 1 2-
Vi
Подставляя эти равен^цвщ в уравнение. (1. 25), пслу-
чим
^2 ^i
и, следовательно,
^=•«1
(1.27)
44
3 лучае ИСЗ vi=vo и и2=^(Ясп); — радиусу
Земли:
Рис. 1 19. Схема к выводу зависимости ско-
рости движения ИСЗ от высоты полета
Поэтому^ скорость ИСЗ _на_ высоте Н от поверхности
3 ем л и опр еделится формулой:
где 1Гсп(/у) —орбитальная скорость движенияИСЗ в за-
висимости от высоты полета_даадПювср~х-
иостью Земли.
Линейная ..скорость движения конца визирной линии
ЬАР по поверхности" Земли ~в~ плоскости- орбиты
(рис. 1. 20)хопределится уравнением:
45
Теперь можно перейти к выводу уравнения для расче
та параметров С КУ, осуществляющего сканирование в
направлении, перпепдикуля ном к плоскости орбиты.
'Будем исходить из того, что просмотрела иного пол:
обзора 2рОбз проводится сканирующим радиометром бе
Рис. 1.20. К выводу
зависимости скорости
движения конца ви-
зирного луча БАР по
поверхности Земли от
’ВЫСОТЫ
Рис. 1.21. Схема сканирования
БАР в плоскости, перпендикуляр-
ной плоскости орбиты
пропускрвдмежду строками и без наложения строки на
строку {рис.Т~2ц?. Пусть ГЖЭ представляет одномерный
-1^озаичпьшдгрттемнрпу (термо- или фото-сопротивление)
имеюшнщ/’итлэ чувствительных площадок. Столбик чув
ствительных площадок ориентирован в плоскости орбиты
вдоль оси Ох. Каждая чувствительная площадка образу
ет с объективом мгновенное поле зрения 23 = 2L ;
S— А. б
угловая.ширина группы строк, образованной всеми пло
щадками, при одном___рбороте__сканирующего зеркалу
(рис. 1.22) Кплэ2{3Х1Г; а — сторона чувствительной пла
щадки. При каждом обороте~сканирующего зеркала iimcj
46
есто активная часть строки, пассивная часть строки
еТПопнЫЙ угол сканирования 2аиол, отвечающий полному
и осоту зеркала, допускаемому конструкцией привода
CKV Угловой размер активной части строки должен быть
14 ’ "----вдоль строки 2робз- Пассивная часть
строки соответствует разности
между полной строкой, отвечаю-
щей полному повороту зеркала
вокруг оси симметрии О ПУ, и ак-
тивной строкой: 2апас = 2аПол—
—2роб3. Конструкция привода СКУ
может обеспечивать полный пово-
рот зеркала вокруг оси симметрии
ОПУ или возвратно-поступатель-
ное вращение вокруг этой оси на
равен полю оозора
А1ЛЭ а
г^777777777777\777Т777777'7777
Земля
Рис. 1.22. Схема угло-
вой ширины строки
сканирования
Рис. 1.23. Координатные оси
на поверхности Земли
заданный угол. Отношение поля обзора (активной части
строки) к полной строке носит название коэффициента
сканирования СКУ:
TlcKy = va5i, если 2un0 =2л, то Пску=^тг •
2аиол 271
Так, например, при поле обзора БАР— 120°, коэффи-
циент сканирования для СКУ с вращающимся зеркалом
будет т)ску = 0,33. Очевидно, что полная строка 2аПол=
= 2робз/т]ску в общем случае
2/обз='Пску2апоЛ А > (1.30)
р
47
где р — коэффициент передачи между углом поворота
линии визирования и углом поворота зеркала. При вра-
щении зеркала вокруг оси, расположенной в одной плос-
кости с нормалью к поверхности зеркала, коэффициент
передачи р=1. Если ось вращения расположена в плос-
кости зеркала, то р=2
При принятом метоле сканирования используется для
развертки поля обзора вдоль оси Ох движение ИСЗ,
а вдоль оси Оу вращение зеркала СКУ (рис. 1.23). По-
этому требование того, чтобы пе было пропусков и пере-
крытии в просмотре поля обзора, может быть
только при условии:
выполнено
„ (Н) 1
Л/'СКУ /z 23
Г7 лПЛЭ'<*Эмг
Отсюда время одного оборота зеркала
8 И
?мг 1^лв (//)
1
Тиол „
СКУ
Число элементов разложения в полной строке
2₽от -ПСКУ2?НГ • (kJ3)
Время наблюдения одного элемента разложения поля
обзора, т. е. продолжительность облучения
ПЛЭ элементом разложения
_ _^чол __(2^мг)2
М “ N ~ 2[1о63 ПЛЭ 1ску IF„„ (И)
площадки
получения
Продолжительность облучения ПЛЭ для
на его выходе не менее 95% амплитуды сигнала, отвеча-
ющего полному использованию чувствительности ПЛЭ.
должна быть не менее, чем три постоянных времени ПЛЭ:
Тэл Зт плэ. (1. За)
Как следствие максимальное число оборотов сканиру-
ющего зеркала в одну секунду в зависимости от тплэ
заданного 2р1ГГ должно быть
\fj 1 __ I ____ 1 ___ 23мг ____ 2;>мг - л?'
!"СКУ Jmax — —— — ЛжУ — ДТТ; — Д/Т » I 1 • d0'
т»ол ЗЛтплэ Ьятплэ 2 ()тплэ
2?мг
еслй 2а1ГОЛ —2л и /СплЭ—1-
Чнечо оборотов сканирующего зеркала, необходимое
просмотра поля обзора без пропусков и перекрытий
дл при данной угловой скорости движения линии ви-
зирования, определится уравнением (1.31).
Благодаря большой высоте полета спутников угловая
скорость вращения линии визирования БАР (в плоскости
орбиты) очень мала. Поэтому и при полях зрения радио-
метров с высоким пределом пространственного разреше-
ния необходимое число оборотов зеркала СКУ будет
меньше максимального допустимого.
Пример. 1000 км; *плЭ = Ю~з сек;
^0 ^0
Wm (/7) =-------------- =---------5- S» »о == 8 км.'сек;
А , JLf (1.15)Г
0 + "з J
23мг == 20 млрад; /<п пЭ = 1;
23мг 20-Ю-з
[л^,,„]тах ~1 об!сек;
1 СКУ]тах 20т 20-10-3 '
1 I • 1 J
IFOT(H) 1 8 „ „ „
=---------------------— --0,4 об!
сьу Ц /СПЛ=Ж„. 10’-20-10-з
1IV и
В БАР спутника «Тирос-П» сканирование мгновен-
ным полем зрения, равным 5°, проводится со скоростью
10 об!мин. Если измерения проводятся относительно из-
лучения какой-либо планеты, а не Зе тли, то скорость
движения линии визирования БАР должна быть рассчи-
тана исходя из параметров траектории полета космиче-
ского аппарата. Вообще, для полного использования чув-
ствительности ПЛЭ скорость сканирования не должна
превосходить рассчитанную по формуле (1.36), но может
оыть сколь угодно меньше. Как видно из приведенного
примера, для ПЛЭ с большой постоянной времени (на-
пример, металлический болометр тплэ^Ю мсек) при вы-
полнении условия (1.36) для радиометров с высоким
пределом пространственного разрешения необходимо
применять ПЛЭ с несколькими чувствительными пло-
щадками.
49
В межпланетной автоматической станции «Маринер-1Ь
при облете планеты Венеры па высоте порядка 40 тыс. м
скорость сканирования БАР была порядка 0,1 об!сек.
Величина продолжительности наблюдения элемента
разложения поля обзора тол является очень важным па
раметром БАР. В зависимости от величины этого пара
метра выбирается тип усилителя электронного канала
так как продолжительность импульса напряжения на вы
ходе ПЛЭ определяется значением тэл.
Оптическая система измерительного канала
Оптическая система ОПУ должна осуществлять
только передачу энергии от источника к ПЛЭ. Поэтому
одним из основных параметров при выборе оптической
системы для БАР является ее коэффициент оптического
усиления.
Коэффициентом усиления оптической системы, как из
вестно, называется отношение потока, падающего на при
емник лучистой энергии, установленный в фокальной
плоскости, к потоку, который упал бы на ПЛЭ в отсутст
вие оптической системы.
При протяженном объекте излучения (рис. 1.24,а)
весь объект облучает приемник при отсутствии оптики, а
при наличии оптики в облучении принимает участие толь
ко часть объекта, определяемая полем зрения оптической
системы (рис. 1.24,6). Если круглый объект, угловой
размер которого относительно ПЛЭ равен 2а, излучает,
подчиняясь закону Ламберта, то облученность приемника
при отсутствии аптики будет Е’о=лВзш2а.
При наличии оптической системы с апертурным углов
в пространстве изображений U', коэффициентом пропу
скания Топ и с полем зрения 2(3, меньшим углового раз
мера излучающего объекта, облученность ПЛЭ будет
£оп=sin2 67'.
Коэффициент усиления в этом случае равен
ту’ ____S
он п ’ * оп . 7
£0 sin2a
50
п о видеть, что при объектах большой протяженности
юТффициепт усиления может стать меньше единицы, и
Епименение оптической системы в этом случае нецелесо*
бразно так как приведет лишь к дополнительным по-
терям.
Когда объект полностью охватывается полем зрения
и весь поток, собираемый оптической системой, попадает
Рис. 1.24. К выводу уравнения для коэффи-
циента усиления оптической системы БАР
при протяженном источнике
на ПЛЭ (рис. 1.25), коэффициент усиления определяет-
ся как отношение потоков, облучающих ПЛЭ при нали-
чии и отсутствии оптики:
ли
Т<-А,х.а^ ?„х.3
по г „ сл
^ПЛЭ
(1.37а)
ПЛЭ
где
/ — сила излучения объекта;
* расстояние до объекта;
/вх.з и 7плэ -—площадь входного зрачка и чувстви-
тельной площадки ПЛЭ;
топ-—коэффициент пропускания оптической
Q системы.
ФипирХ^ИДПо’ что с Уменьшением площади ПЛЭ коэф-
к ииент усиления будет возрастать.
51
При проектировании ОПУ для БАР исходя из величи-1
ны коэффициента усиления можно прийти к выводу о це-1
лесообразности применения оптической системы. Очевид-1
но, что оптическая система необходима для узкопольных |
сканирующих радиометров, и ее значение тем больше,!
че^м большим пространственным разрешением должен!
обладать радиометр. Для широкопольных несканирую-
щих радиометров целесообразнее или вовсе отказаться
Рис. 1.25. К выводу уравнения для коэффициента
усиления оптической системы БАР при источнике в
пределах поля зрения БАР I
от оптической системы как системы, собирающей энергию
излучения на ПЛЭ, или применять упрощенные вариан!
ты подобно отражающим конусам в радиометре па enyfl
пике «Тирос-П» (см. рис. 1. 16).
Надо также учесть, что разработка оптической систе-
мы для широкопольного радиометра с такими полями
зрения как 100—130° привела бы к сложной конструкции,
а кроме того, размер площадки ПЛЭ пришлось бы зна-
чительно увеличить, чтобы выполнить условие синусов.
Так, например, для системы с входным зрачком 12 мм и
полем зрения 120° согласно закону синусов сторона ПЛЭ
определится из выражения
4x3sinp 12 sin 60°
а _ —---------=_------ ,
sinf'1IJl9 sintfnJ19
где П[1ЛЭ — максимальный угол падения луча на ПЛЗ
(обозначения те же, что и па рис. 1. 25).
52
Чтобы не ухудшать чувствительность ПЛЭ sin//п;1Э <
0 8 и следовательно, а = ——— 13 мм. ПЛЭ с
0,8
ако i большой площадкой будет иметь низкую пороговую
чувствительность и будет неустойчивым во времени.
Па этом основании будем рассматривать особенности
конструкции оптических систем только для узкопольных
сканирующих радиометров. Концентрация потока от ис-
точника на возможно меньшей площадке ПЛЭ одновре-
менно повышает коэффициент усиления оптической си-
стемы и чувствительность ПЛЭ. Это очень важно, если
учесть, что для протяженного источника облученность
входного зрачка прямо пропорциональна телесному углу
поля зрения и, следовательно, с повышением предела
пространственного разрешения и уменьшением поля зре-
ния поток, принимаемый от источника, уменьшается.
В оптической системе радиометра величина потока от
источника па входном зрачке объектива определяется не
квадратом диаметра, а квадратом относительного отвер-
стия объектива Л:
Поэтому в радиометрах целесообразно применять объ-
ективы с ВОЗМОЖНО большим ,.0ТН0С11ХеЛЬНЫ^1^4ЪерСДШ1М.
Так, в известных конструкциях БАР чаще всего относи-
тельное отверстие объектива равно единице. Величина от-
носительного отверстия объектива, полученная в резуль-
тате предварительного габаритного расчета оптической
системы, служит критерием возможности аберрационного
расчета оптической системы необходимого качества.
Диаметр кружка рассеяния объектива
/диаметр кружка рассеяния объектива должен быть
ласовап с размером стороны ПЛЭ. В современных уз-
6°) размер пло-
1 1 * 1ьпых БАР со средним пределом пространственного
разрешения (мгновенное поле зрения 5—6°) размер пло-
пвеД^ порядка 1 X 1 мм; для БАР с более высоким
Р делом пространственного разрешения (мгновенное
венн ЗРСНИЯ 1- °’5О) — 0,15X0,15 мм. При заданном мпю-
меп ™ U0JIG 3Рештя и выбранном фокусе объектива раз-
этомуТ °НЫ НЛЭ определяется главными лучами. По-
сти кпг1аС?Ь энеРгни излучения, соответствующая той ча-
I >жка рассеяния, которая в этом случае находится
53
'У 1л
6 S У J 2 1 0 / 2 J Ч 5 &
Угол отклонения от центра паля зрения $ град
Рис. 1.26. График распределения
чувствительности по полю зрения
пятиканального радиометра «Ти-
рос-II»
за пределами площадки ПЛЭ, нс будет участвовать |
образовании выходного сигнала. Потери энергии буду]
тем больше, чем хуже будет коррекция системы, т. е. че\
больше будет диаметр кружка рассеяния и чем больцц
будет несимметричная остаточная аберрация комы (еслт-
она увеличивает смещение кружка рассеяния с площадку
ПЛЭ). Это явление абер
рационного виньстирова-
ния может сше усили
ваться за счет того, чц
чувствительную площад-
ку ПЛЭ располагаю]
обычно не точно в фо-
кальной плоскости объек-
тива, а со смещением пс
ходу лучей па величину
порядка 0,1 мм. Этим до-
стигается уменьшение
вл и я ни я нер а в н о м е р ности
чувствительности ПЛЭ по
площадке. Поскольку
диаметр кружка рассея-
ния увеличивается от
центра к краям поля зре-
ния, необходимо, чтобы
для точки на оси системы
он был значительно мень-
ше стороны площадки
ПЛЭ. В современных кон-
струкциях БАР диаметр
кружка
точки на
ставляет
при таких размерах кружка
рассеяния для
оси системы со-
примерно не
свыше 0,1—0,2 мм. Однако и
рассеяния и указанных выше размерах площадок ПЛЭ
возникает падение чувствительности оптического капал?
БАР от центра к краям поля зрения. Например, за вели-
чину поля зрения БАР в опубликованных американские
конструкциях [25] принято угловое расстояние от центра
поля зрения, при котором чувствительность радиометр*
не меньше половины чувствительности в центре поля
зрения.
На рисунке 1.26 приведена кривая распредели
54
чувствительности по полю зрения в радиометре
НЙЯ ос-П» с полем зрения 5°. Па рис. 1. 17 дана такая же
кривая для широкопольного радиометра «Тирос-П» с по-
лем зрения 50 .
В радиометрах применяется как линзовая, тац.и зер-
кальная оптические системы. Выбор той или другой сис-
темы при проектировании БАР определяется в зависимо-
сти от заданных требований, выбранного типа прибора
и метода сканирования мгновенным полем зрения поля
обзора.
Для всех оптико-электронных приборов, работающих
в средней и далекой инфракрасной области спектра, об-
щие соображения при выборе линзовой или зеркальной
оптической системы должны основываться на сравнении
их по технологичности конструкции, величине коэффици-
ента пропускания и возможности осуществления задан-
ного поля зрения.
С точки зрения выбора материалов для изготовления
зеркальная система имеет решающее преимущество по
сравнению с линзовой, так как опа не требует применения
таких специальных материалов, как кристаллы KRS-5,
германий и другие. Зеркала изготовляются из обычного
оптического стекла (например, К-8) с последующим на-
несением отражающих покрытий (алюминированием
или золочением).
Если линзы и зеркала применяются только со сфери-
ческими поверхностями, то обработка их на станках по
трудоемкости одинакова. Но для коррекции зеркальных
систем в отношении сферической аберрации и комы чаще
применяются особенно для приборов, работающих в кос-
мосе, асферические поверхности. Особенно сложны техно-
логически объективы — внеосевые параболоиды. В этом
случае трудоемкость и стоимость зеркальной оптической
системы для БАР будет выше, чем линзовой. Зеркальная
система не требует коррекции в отношении хроматической
аберрации. Однако коррекция узкопольных линзовых ин-
фракрасных систем из материалов с большими показате-
лями преломления (больше чем 2) вообще значительно
оолегчается.
коэффициент пропускания зеркальной оптической сис-
ппоч1 ПРИ паличии обтекателя из материала с высокой
темь?341(УТЬЮ может быть выше, чем для линзовой сис-
’ ОСобенно изготовленной из кристаллов с большими
55
показателями преломления. Как это следует из формулы
Френеля
п — 1
п +1
коэффициент отражения поверхностен линзы у будет тем
больше, чем больше ее показатель преломления. Так, на-
пример, для линзы с показателем преломления /г=1,5
р=4°/о, а для линзы из германия с показателем преломле-
ния п=4 р = 36%. Таким образом, потери па отражение
от поверхностей в линзах с большим показателем пре-
ломления будут большими. В то же время просветление
этих линз затрудняется очень широким спектральным ди-
апазоном, в котором они работают по сравнению с систе-
мами для приема видимых лучей.
Пропускание в зеркальных оптических системах зна-
чительно снижается применением зеркальных объективов
типа Кассегрена. Такие системы состоят из первичного
большого зеркала и меньшего по размерам вторичного
контротражателя (см. рис. 1.9). Если диаметр контрот-
ражателя сделать равным половине диаметра первично;,
го зеркала, то будет потеряно 25% потока, принимаемого
объективом. Применение в качестве зеркального объекти-
ва внеосевого параболоида устраняет этот недостаток, но
ухудшается качество изображения и повышается стой-
мость объектива.
Для широкоугольных БАР такие упрощенные зеркаль-
ные системы, как на спутнике «Тирос-II» (см. рис. 1. 16),
дают незначительные преимущества по сравнению с си-
стемами без оптики.
В настоящее время разработано и выпускается боль-
шое количество материалов прозрачных для среднего
(1,5—10 мкм) и дальнего (10—40 мкм) диапазонов ин-
фракрасной области спектра. В качестве примера в
табл. 1. 1 приводятся некоторые характеристики наиболее
употребляемых оптических материалов для радиометров,
устанавливаемых па бортах космических аппаратов.
Наиболее широко применяемым материалом в спект-
ральной области, захватывающей видимый и весь ПК ч
апазон до 40 мкм, является кристалл KRS-5. Это смсО
бромистого и подпетого таллия. Кристаллы выращиваю;
ся в специальных печах. Оптические детали из этого к1|
сталла получаются обработкой на обычных станках. Л
56
г' ппмо принимать специальные меры безопасности
оОХ°зВодства., так как матеРиал ядовит. В более узком
П?апазоне. например, для работы в окне прозрачности
^емной атмосферы 8—12 мкм, применяется главным об-
пазом германий (монокристаллический).
” Таблица 1.1
Оптические материалы для линз И К радиометров [10]
Материал Спект- ральная область Л min ^tnax МКМ т % х -10 мкм п X — 10 мкм Раствори- мость в воде 1 г вещества на 100 г воды Теплопровод- ность 10~3 сек:, см г~ 1
Трехсернистый 0,6—12 96 2,4 5-10—о 0,42
мышьяк
Германий 1,8-15 50 4
Кремний 1,8-14 50* 3,42 0,05 1,3
Йодистый и броми- стый таллий KRS-5 0,5-40 68 2,37
Иртран-2 (из суль- 2-14 72 2,2 Нерас- —
фида цинка) творимый
Иртран-4 0,5-20 68 2,4 Нерас- творимый —•
10-12
мкм.
* Провалы в области 4,9,
«Иртран» — это условное название материалов про-
зрачных для инфракрасных лучей, выпускаемых в США.
Иртран-1 в основном состоит из фтористого магния, а
Иртран-2 —из сульфида цинка. Первый материал при-
меняется для приборов, работающих в диапазоне 3—
а второй —в диапазоне 8—12 мкм. В зарубежной
литературе упоминаются также и более новые марки
ИЛТР^И’3 и Иртран-4, причем указывается, что послед-
певеО0еСПеЧИВаеТ пРопУскапие от 0.5 до 20 мкм [10]. Все
(ЬштиИСЛеННЬ1е матеРиалы имеют без просветления коэф-
•сНиееНТЬ1 пРопУскания, не превышающие 70%• Просвет-
ных ВОЗМ0жно Аля значительно более узких спектраль-
'гериапыПа30Н0В’ ЧеМ TG’ В К0Т0РЬ1Х прозрачны сами ма-
ки конДепсора с целью уменьшения площад-
особепно целесообразно в иммерсионном прием-
57
пике, т. с. когда между чувствительным слоем и кондеД
сором пет воздушного промежутка.
В табл. 1. 2 приведены характеристики линзовых опти-
ческих систем для ИК радиометров. Оптическая систем!
с иммерсионным термисторным болометром одного
каналов пятиканального радиометра «Тирос-И» приве-
дена на рис. 1.27. Объектив выполнен из кристалл!
Рис. 1.27. Конструкция оптической си-
стемы одного из каналов «Тирос-П»
iKRS-5 так как этот канал должен обсспечитьприем излу-
чения в области 7,5—30 мкм. Во всех пяти спектральных
каналах радиометра «Тирос-П» для однотипности конст-
Таблица 1.2
Оптические характеристики некоторых линзовых объективов
БАР (США)
Параметр Радиометр Т^вх.з мм f об ММ Л а мм 2“3мг град 23мг рад мм
Сканирующий радиометр: аТирос-П“ Г2,1 12,7 1 1 о 80 0,4 0,3
.Маринер-11* 32 78 0,4 0,15 1,2 20
Широкопольный „Тирос-П*1 Сканирую- щий радиометр „Нимбу с" Г' О 50° * 0,5°
* На уровне 0,5 от максимальной чувствительности
фильтры установлены перед ооъективом. Это це-
РУкц1бразно при светосильном объективе и интерференци-
онных полосовых фильтрах.
В табл. 1.3 приведены оптические материалы, приме-
емые в пяти спектральных каналах радиометра «Тирос-
П» как пример выбора оптических материалов для за-
данных спектральных диапазонов.
Таблица 1.3
Оптические материалы для спектральных каналов радиометра
на ИСЗ «Тирос-П»
№ канала 1 Спектраль- ный диапа- зон мкм Оптические материалы
Линзы объектива Конденсор иммерсион- ный ПЛЭ Фильтр
первая вторая
Длинноволновые инфракрасные каналы
1 5,7-6,9 Германий Германий Германий Интерфе- ренционный полосовой
2 7,5-12 Германий Германий 11ет Сурьмяни- стый индий и трехсер- нистый мышьяк
3 7,5-30 KRS-5 KRS-5 Нет Отсекаю- щий сурьмя- нистый ИН- ДИЙ
Коротковолновые каналы
4 0,2—5,5 Сапфир Фтористый барин Нет Фильтр не указан
5 0,55-0,75 Сапфир Кварц 11ет Интерфе- ренционный полосовой
Резк°го ограничения спектрального
Спр 7 F ограничения спектрального диапазона
ные^еТ пРИМенять полосовые фильтры (интерференцион-
ном ^К10(?1^иниР0ванпь1е)- Так, Для канала с диапазо-
фитьт’ МКМ пРименеи комбинированный полосовой
отсекаю СОС?ОЯ1Ций из подложки сурьмянистого индия,
па подто11^111 длины волн короче 7,5 мкм и нанесенного
возни п ЖКУ слоя трехсернистого мышьяка, отсекающего
Длиннее 12 мкм. Для третьего капала 7,5-30 мкм
59
применен только отсекающий фильтр для длин волн
роче 7,5 мкм, а волны длиннее 30 мкм отсекаются сами»
объективом из KRS-5. Это возможно, если учесть, что д,-г
длин волн больше 30 мкм мощность излучения очень ц]
ла, и для температур исследуемых космических тел л?
жит ниже порога чувствительности прибора.
Для герметизации зеркальной оптической системы i|
се входе перед объективом необходимо установить окн
или обтекатель. Окно — это плоскопараллельная пласт)
па, в то время как обтекатель может иметь форму иолу
сферы или более сложную форму. 13 этом случае оптичес
кая система является по существу зеркально-линзово!
так как полусферический обтекатель является линзой
Наличие полусферического обтекателя позволяет скор,
ригировать сферическую аберрацию зеркального объекта
ва, состоящего из сферического зеркала. Сферически
аберрации сферического зеркала (объектива) и обтекать
ля имеют противоположные знаки. В некоторых случай’
для коррекции зеркальной оптической системы пеобходя
мо применение коррекционной линзы. Эта система такж
является зеркально-линзовой.
Линзовая или зеркальная оптические системы в кон-
кретном случае конструирования БАР могут выбираться
в зависимости от метода сканирования в плоскости, пер
пендикулярной плоскости орбиты ИСЗ.
При пассивном методе сканирования и отсутствии ск
пирующего зеркала целесообразно применять линзову
оптическую систему, как это и сделано в радиометре ИС.
«Тирос-П». Линзовая система в этом случае даст прост#
конструкцию прибора, так как герметизация оптическс^
системы может быть выполнена герметизацией перво!
линзы объектива.
При активном сканировании сканирующее зеркал
при любой оптической системе требует для герметизац’<
применения окна или обтекателя, и, следовательно, ЛЕЧ
зовая система не даст упрощения конструкции прибора
Некоторые замечания по коррекции оптической систе*
ОПУБАР
Конструкция оптической системы ОПУ, удовлетв®
ющая требованиям для проектируемого радиометра, Н
бирается на основании аберрационного расчета мето'
60
принятыми В оптике [26]. Однако для того, чтобы
Предварительные, соображения, на основании которых
ыбирастся принципиальная схема и выполняется эскиз-
ный проект прибора, не очень сильно подвергались
изменению после аберрационного расчета, необходимо
габаритный расчет оптической системы сопровождать
приближенными, прикидочпыми расчетами, позволяющи-
ми судить о возможности ее аберрационного расчета. При
э ом* при узкопольпых сканирующих радиометрах можно
пользоваться следующими приближенными формулами.
Для зеркального объектива со сферическим зеркалом уг-
ловой размер диаметра кружка рассеяния вследствие
сферической аберрации может быть приближенно опре-
делен из уравнения
«сФ = 8-10-3Л3, (1.38)
где цСф —угловой размер кружка рассеяния при наличии
только сферической аберрации в рад\
А — относительное отверстие объектива.
Кома увеличивается прямо пропорционально отклоне-
нию по полю зрения. Кома увеличивается пропорциональ-
но квадрату относительного отверстия. «Эффективный»
размер кружка рассеяния, т. е. при наличии только комы
и отсутствии других аберраций, для зеркального объекти-
ва может быть приближенно определен из равенства
акм = -^Л2, (1.39)
где р — половина поля зрения.
При линзовом объективе, скорригированном в отно-
шении хроматизма, эффективный минимальный угловой
кРУжка рассеяния будет иметь место при условии
г2__W + п
Г1 2п~—п — 4 ’
(1-40)
'е П и /2 радиусы кривизны линзы;
д,< п показатель преломления материала линзы,
условие^ СЛ'елать ЛННЗУ свободной от комы, соблюдая
Г 2 Z12
/Д п — 1
(1.41)
61
При попытке удовлетворить обоим условиям (11 40) I
(1.41) надо принимать компромиссные решения.
Таким образом, для объектива, состоящего из сфер#,
ческого основного зеркала и плоского контротражателя
сферическая аберрация даст угловой размер кружка рас.
сеяния 8 мрад при относительном отверстии Л —1. Есл$
применить перед объективом сферический обтекатель, т|
угловой размер кружка рассеяния может быть уменыие|
до 1—2 мрад (для точки на оси системы).
Одним из преимуществ зеркальных инфракрасных оп-
тических систем по сравнению с инфракрасными линзо
выми системами является возможность применения i
процессе сборки и юстировки системы обычных визуаль-
ных методов, принятых для систем, работающих в види-
мой области спектра.
1.5. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ОПОРНОГО
ИЗЛУЧАТЕЛЯ
При измерениях температура опорного излучателя
является началом отсчета температур. Следовательно,
основным требованием к опорному излучателю должно
быть требование стабильности заданной температуры
возможно более длительное время:
оп
У ^плэ (Г
еи — ° ? JOW 5
где оФОГ1—абсолютная ошибка в измеряемом радиометров
потоке от источника за счет изменения температурь
опорного излучателя.
Как видно из уравнения 1 42. колебания температурь
опорного излучателя будут тем меньше сказываться н?
точности измерения температуры источника, чем мены*
температура опорного излучателя? С этой точки зренй!
наибольший интерес представляет для БАР опорный из
лучатель с температурой, близкой к абсолютному нуль?
Таким излучателем является неосвещенная Солнце?:
часть космического простра нства. Температура космичес
кого пространства принимается при расшифровке инфор-
мации, полученной со спутника, равной абсолютному НУ
лю. Сопоставление данных измерений температуры пл*'
нет Земля, Венера и Марс, полученных с ИСЗ и МАС,
данными астрономических измерений показывают хор-
62
совпадение и, следовательно, свидетельствуют о до-
Цу тимости принятия неосвещенной Солнцем части косми-
ческого пространства за опорный излучатель с нулевой
температу рой.
Использование космоса в качестве опорного излучате-
г]я может сопровождаться случаями засветки ПЛЭ через
опорный канал высокотемпературными излучателями.
Эти недостатки могут_быть исключены, если применять в
качестве опорного излучателя модели абсолютно черного
тела с заданной и стабилизированной температурой. Как
показывают исследования, наиболее рациональной фор-
мой модели черного тела является цилиндрическая по-
лость. Конические модели черного излучателя являются
менее удовлетворительными с точки зрения приближения
к абсолютно черному излучателю [6]. Обязательным кон-
структивным условием Ч1дя_черного тела как опорного из-
лучателя для БАР является условие^чернос тело должно
быть протяженным излучателем, а не точечным. Это усло-
вие может быть выполнено, если:
^черное тело с большим отверстием;
2.черное тело с малым отверстием и дополнительной
оптической системой, расположенной между черным те-
лом и радиометром.
Опорный излучатель — черное тело с большим
выходным отверстием
Представим себе черное тело в вид U ‘L ом
полости с выходным круглым отверсти к Д - _р1/1вад
Для того, чтобы этот излучатель иолпост Р ^необ-
поле зрения оптической системы опорного к< с ’ ше
ходимо, чтобы отверстие черного дела было < ПППРК.
размера входного люка оптической системы, т. . Р
ции диафрагмы поля зрения на плоскость отверс р
кого тела (рис. 1. 28). Пусть коэффициент 0ТРаж н
териала дна и стенок полости в полусферу есть рп-
коэффициент излучения полости епол (рис. уд .
достаточным приближением определяться уравнен м.
. , &LO-1- »!!. Д-, (1-43)
я “ 4 Р
где I — глубина полости (расстояние от выходного отвер
стия до дна).
63
s
ф
а
*©
X
X
CQ
К
ч
s
ч
ей
X
со
X
X
ф
X
X
ф
S
©
X
о ©1 ©4 7,10 5,50 4,61 1© со со СО ©1 2,65 см
4,3 4,0 ел
50 сч со о ©4 ©4 ,96 | ч< t- '# 1© сп со <© ,24 о
О t ч * с со ю СО со со ©4 ©4 Сч ем
ю Ch й Й СО О СО Ч ,04 Г- со 1©_
о О- Tf 1© ©4 ©4’ ©4 ©4 ©1 Г-Ч т-Ч г-ч
о со о ,09 Ю *—< со со 1© СО со ,24 со со 1©. ,42 ей ©£
о ь*. Ч1 со ©4 ©4 ©4 ©4 т-ч т-Ч гЧ Г-Ч
1© со ©4 1 ,54 ч ©1 ©4 с© со 1 ч О чГ СП со ю СО ,23 у Ч
о со со ©4 ©4 ©4 ©4 • ч г—Ч г—Ч /—<
06' S о> со ч ©4 СП со Й со 1© СП ©4 ©4 г—Ч 00 ‘
о 1© ©4 ©4 Т—Ч г- А г—А »-Ч • < Т—Ч г-4
г~Ч СП >74 ©4 ,79 со со со to о 1© ,23 О 1
1 & о ©1 ©4 ’—1 —< г—1 I—С F—1
1 1 ® 1 ® I w 0,92 4,47 СО vo ©4 1 2,0 1,69 оо ю *ч 6УI ! 1,42 1© у Ч •> 1,00 1 1
с© СП —С см со со 1© СО Tf ,39 ,32 СО о. 1 1
о ©4 1—4 Т—«. г—1 г Ч т—' г—4
со со со ©1 со СО Ч1 СО СО ©4 ©1 ©4 о о 1
со ©4 1—< Г~"1 •—ч t—< Т ч г—Ч
ю ел l© О 00 1© со со 1© ©4 со > ч г—4
о СО ©4 т—< г—Ч г—Ч ч Ч г-Ч
cj> СО ю 1© ©4 СО ]
О ©7 г—< т—А f—ч
со о ,24 ,29 | ,00 1 1
о" О г-ч 1
66' со »© 1 1
о F—!
СОЦ; ел Ch СП о о © с СП < сг> < ©©4—, О 1© О 1© О Л © © О со ® N 71 © © G © © © ©
О о © о < о С ©ОС
64
епстие полости находится в нормальном положе-
5% оси цилиндра, образующего полость.
Как видно из уравнения (1.43), степень черноты по-
j е отклонение ее коэффициента излучения от еди-
лоСТJ определяется при заданном коэффициенте страже-
и стенок полости отношением квадратов дна мет-
" отверстия к глубине полости.
ис. 1.28. Оптические схемы системы опорный излучатель-радиометр
В табл. 1.4 приведены значения отношения l/dn для
различных значений коэффициента излучения полости
три разных значениях коэффициента излучения дна п сте-
tfOK ПОЛОСТИ 8 вн\гтр»
Необходимую степень черноты для опорного излуча-
геля БАР можно определить из следующих соображений,
будем считать допустимой ошибкой, возникающей из-за
юрости опорного излучателя, при измерении температу-
ры источника —0,5%. Как будет видно при рассмотрении
точности радиометрических измерений (см. гл. Ill), та-
сая ошибка несущественно влияет на результирующую
ошибку радиометрических измерений.
Если опорный излучатель представляет не абсолютно
К'р юе тело, а серое тело с коэффициентом излучения
><1, то радиометр измерит опорным каналом нс истин-
ою температуру опорного излучателя, а так называемую
радиационную температуру 7% Па основании закона Сте-
* ана “7 Больцмана для абсолютно черного и серого излу-
<телси радиационная температура будет меньше нстип-
11 ^мпературы излучателя 7% так как
~Т^ — - ’ чТ'
1 Р “по;; -*
1 4/Г~”
F “пол
0,005,
3009
65
= 0,975 = 0,98.
где е„Ол
Следовательно, при допустимой относительной ошибУ
ЪТ п -
в измерении температуры опорного излучателя 'уг"=0,д;
« оп
необходимо, чтобы коэффициент излучения серого изд»
чателя был не меньше еПол” 9,98.
Из табл. 1. 4 следует, что при коэффициенте излучен!
опорного излучателя €Пол=0,98 и коэффициенте излуч;
Опорный излучатель с малым отверстием и
дополнительной оптической системой
При применении в качестве опорного излучателя чер-
ного тела с малым выходным отверстием (см. рис. 1.28)
последнее по размерам меньше входного люка оптичес-
кой системы опорного канала и, следовательно, не явля-
ется протяженным излучателем для радиометра. Чтобы
превратить опорный излучатель в протяженный, необхо-
димо установить перед отверстием излучателя конденсор.
Выходной зрачок линзы конденсора должен перекрыть
поле зрения опорного канала.
Наличие конденсора уменьшает поток от черного тела
и требует знания коэффициента пропускания конденсора
при учете температуры опорного излучателя. Кроме того,
собственное излучение конденсора и отраженное им излу-
чение других деталей увеличивает паразитный сигнал' в
опорном канале и затрудняет выравнивание каналов ра-
диометра. *
Рис. 1.29. К выводу уравнения
черного тела
ния стенок и дна 8Dn>.lp!j
= 0,40, отношение глуби
ны полости к диаметр]
выходного отверстия дог
жно быть l!d=3.
При расстоянии о
объектива опорного канг
ла до отверстия излуч»
теля порядка 100 мм
поле зрения 5° диаме*
отверстия излучатед
должен быть порядк
10 мм. Такое цилиндр!
ческое черное тело доля
но иметь глубину поря;
к а 30 мм.
Теоретические иссла
довання по копструир!
ванию черных тел с большим отверстием показывай!
что излучательная способность черного тела опрел
ляется излучением дна полости, а стенки незначителй лов^®’ так и фотонные приемники лучистой энергии,
повышают общий коэффициент излучения. Поэтому коз i ’ " —'
фициент излучения черного тела с большим отверстие
всегда может быть увеличен за счет
1.6. ПРИЕМНИКИ лучистой энергии для бортовых (
АВТОМАТИЧЕСКИХ ИНФРАКРАСНЫХ РАДИОМЕТРОВ
Приемник лучистой энергии является основным эле-
ментом конструкции БАР. Поэтому при разработке ра-
диометров необходимо обратить особое внимание на вы-
бор соответствующего типа и параметров ПЛЭ.
Принципиально в БАР могут использоваться как теп-
, ----------------г-------- ‘ .
Основным соображением при выборе типа ПЛЭ для
является охлаждение чувствительного элемента
иильшим ГТП'З
г уменьшения коэф$ k Дбоч.а.я,ЬемпеРатУРа-
J -ч гак как ИСЗ и МАС рассчитываются на длительное
_ ния, то средства охлаждения ПЛЭ должны обеспечивать
поддержание рабочей температуры в течение многих ты-
Ц сяч часов. Современные холодильные, машины способны
«-ать охлаждение чувствительного элемента
1000 Л° Телш?РаП-Рьт кипения азота (77° К) в течение
ты с ЧаС Гакие же результаты могут быть достигну-
ваннП?М01ДЬ10 хладагента, помещенного в термоизолиро-
хладсят С0С“д’ СЕКзанный с чувствительным элементом
проводом. Особенно выгодно применение в качестве
3*
циента отражения дна. Например, путем замены плоек; Как ИСЗ и МАС рассчитываются п- длхгслщщс
го дна системой клиповых полостей, т. е. гофрирован^ ^п^Чение которого должны проводиться измере-
дном.
Температура опорного излучателя должна измерят#
термодатчиками, расположенными на черном теле, и
леметрически передаваться на Землю одновременное}
повной информацией.
При отсутствии охладителя или нагревателя в 1W
рукции черного тела его температура будет близка к Я
пературс корпуса радиометра.
66 f
67
хладагента газов, переведенных в твердое состояние,
например, азота. Температура твердого азота 63° К.
допр оводом может служить тер м о из о л прова нный медный
толстый пругок. Система охлаждения с помощью тверди
го хладагента и хладопровода является особо перепек,
тивпой для космических аппаратов, так как нс требуй
расхода электроэнергии. Если соединить сосуд с хлад,
агентом с радиатором, отдающим тепло в космос, то нож-
по осуществлять предварительное охлаждение сосуда
хладагентом до уровня температуры порядка 77° и
следовательно, окончательную температуру чувствитель-
ного элемента ПЛЭ удерживать па еще более низком
уровне в течение всего времени пребывания О па орби-
те. Однако указанные методы еще не получили практиче-
ского применения. Метод Джоуля—Томпсона требует
большого расхода мощности питания холодильной маши-
ны и значительного ее веса. Прэто^1уив_на.стояще^время
для БАР применяют приемники с рабочей температурой
тгерядка ЗОО^Д. 1
В табл. 1. 5 приведены характеристики некоторых при-
емников лучистой энергии, которые могут применяться
в БАР.
Наиболее выгодным в настоящее время является пп
лупроводпиковып (термисторный) болометр. Он приме-
няется во всех опубликованных в литературе США [10
БАР.
При разработке БАР следует базироваться на более
средине по качеству болометры с удельной порогово!
чувствительностью Фо= 10 ~9 вт (мм - ап1/2). Поэтому дд
БАР имеет большое значение перспектива развития кри-
огенной техники в соответствии с требованиями, предъяв-
ляемыми к холодильным установкам на борту космичес
кпх аппаратов. В настоящее время широкое распростра-
нение в конструкциях БАР получили иммерсионные ПЛ?
Иммерсионный приемник представляет собой соединение
конденсора и чувствительной площадки ПЛЭ без воздух
него промежутка между ними. В зависимости от форм*
конденсора различают полусферический иммерсионны
приемник (рис. 1. 30) н гиперполусферический иммерсией
Таблица
герметики некотооых ПЛЭ лпп г»дп
ный приемник (рис. 1.31).
В первом случае конденсор представляет полусферу
ческую линзу из материала прозрачного в заданной ос
ласти спектра с показателем преломления и.к>1. Чувств1'
68
I
(ЭННЫЙ
лучистой
тельная площадка наносится на плоской стороне конде,
сора и центрируется относительно его оптической оси.
конденсором, показатель преломления которого пк, п<
роговая чувствительность ПЛЭ могла бы быть в /?к рг
выше, чем неиммерсионного приемника. Однако, как п<
казал опыт разработки иммерсионных приемников [Ц
при расчете порога чувствительности иммерсионного npi
емника вместо показателя преломления материала koi
Рис. 1.30. Полусфе-
рический иммерси-
приемник
энергии
Рис. 1.31. Гиперполусферический
иммерсионный ПЛЭ
денсора следует учитывать показатель преломления скле
ивающего вещества, которым чувствительная площади
ПЛЭ связывается с конденсором, т. е. из трех показателе!
преломления: конденсора, клея и материала чувствителЬ
ной площадки (мк; ЛкЛ; яплэ) следует учитывать паи
меньший /гкл. Поэтому стремятся изыскивать материалы
которые по условиям технологии следует располагать ме
жду конденсором и чувствительной площадкой, с возмож
но большими показателями преломления. Обычно в БА!
конденсор изготовляется из германия с /?к=4. О диак*
наименьшим показателем преломления обладает клей. I
результате, например, иммерсионный приемник в ради!
метре ИСЗ «Тирос-П» дает повыше.пие чувствительной
канала по сравнению с каналами с обычным ПЛЭ в 3
за. Пороговая облученность на входе капала с имме|Ж
онным приемником £п=1>5- Ю-9 вт!см?, а на входе. кан;?
лов без иммерсионного ПЛЭ £п=4,5’ 10~9 вт/см2 [30].
70
луефероа. Гиперпаяусфера вде0Лле1 A™*'™* ° "°*
дню системы ооъектив — кондепгоп пп,® 1шить коррек-
сфера является авланатической линзой Пп“ гипеРполУ'
сфере облегчается расчет системы с нулевым ^перполу-
резком, что не всегда возможно при полусфере ’ °Т'
Рис. 1.32. Ход лучей с иммерсионном ПЛЭ
Гиперполусфера получается из сферы радиуса при
отсечении ее части плоскостью, проходящей от центра
сферы на расстоянии, равном радиусу, деленному на по-
казатель преломления материала, из которого изготовле-
р
па сфера:— . Точка Р расположена на оптической оси в
лк
расстоянии n^R от центра сферы. Все лучи, направленные
к точке Р, преломляются в точке Q. Чувствительная пло-
щадка приемника находится в контакте с плоскостью Fq
и центрируется относительно точки Q.
1.7. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ^р^с^рднсТВА1Е
ФИЗИКОЙ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
Аппаратура для
ся на многоступенчатом ракетоносите,- (р нагрева
рость полета ракеты определяет те£ р< ^противления-
корпуса космического аппарата за с от влия-
воздуха. В настоящее время для пРеД0 Анетой плотных
ния нагрева корпуса при прохождении р< чпак обте-
слоев атмосферы применяется специал аппарат и
каемой формы, прикрывающий космиче \
сбрасываемый специальным устройством па высоте, где
плотность воздуха незначительна (около 100 км).
С точки зрения требовании к конструкции приборов
следует различать_отжрьиую_и_щерметиаированн\чо_их_ус
тановку в отсеке космического объекта.
Рис. 1.33. Расположе-
ние ИСЗ на ракето-
носителе
дилятор
Рис. 1.34. Специальный подшипник
для открытой установки БАР па
ЙСЗ
В открытой установке приборный отсек непосредствен
но сообщается с космическим пространством, и, следова-
тельно, конструкция прибора должна обеспечивать их на
дежную работоспособность в этих условиях.
Особые условия, па которые должна быть рассчитан:
конструкция оптико-электронного прибора для работы |
космическом пространстве, в основном сводятся к следу
ющим.
В отсеке космического аппарата, непосредственно со'
общающемся с космосом, устанавливается температур’
ный режим в результате теплового баланса между пй|
72
пяиШ-м теплом (за счет нагрева Солнцем, излучением
ха’тих космических тел, теплом, генерируемым на его
6oprv) и теплом, излучаемым в космическое пространство.
Как показывает опыт, температура на борту ИСЗ или
составляет 300—330° К на траектории в космосе при
влении окружающего газа порядка 10~9—10~12 мм
ртутного столба.
При столь низком давлении и сравнительно высокой
температуре, учитывая длительность пребывания косми-
ческого аппарата в космосе, па работу приборов может
сказываться сублимация (испарение) металлов, входя-
ц их в состав тонких покрытий и пленок, значительная для
некоторых элементов, например, кадмий и селен. Ис-
парение смазок подшипников требует применения спе-
циальных твердых смазок, например, твердая смазка
с сернистым молибденом, или применения подшипников
специальной конструкции [30].
Так, в БАР метеорологического спутника «Тирос-П»
применены подшипники специальной конструкции. На
рис. 1.34 представлен разрез узла, па котором изображены
подшипники вала модулятора. Сущность принципа этой
конструкции сводится к созданию внутри подшипников
запаса жидкой смазки и к значительному снижению ско-
рости ее испарения путем ограничения диффузии паров
смазки из подшипников в пространство. Оба подшипника
и пропитанный смазкой сальник помещены в наглухо за-
крытое гнездо, в котором есть только отверстие для вы-
хода вала. Радиальный зазор между валом и отверстием
5 мкм. Диффузия паров смазки через радиальный зазор
такой величины происходит очень медленно, поэтому дав-
ление в гнезде поддерживается за счет смазки, содержа-
щейся в сальнике.
Влияние коротковолнового излучения Солнца и кос-
мических лучей приводит к быстрому уменьшению проз-
рачности обычного оптического стекла. Поэтому для лин-
вой оптики приборов, работающих в космосе, и обте-
кателей или защитных стекол следует применять специ-
альные марки оптического стекла.
Сложной конструкторской проблемой при разработке
оптико-электронных приборов для космоса является
уменьшение влияния солнечных бликов па качество опто-
вого изображения и на работу приемника лучистой
73
В герметизированном отсеке указанные выше труд-
ности, за исключением потемнения оптики и бликов, от.
падают. В герметизированном отсеке поддерживаются
нормальные условия, подобные условиям па поверхности
Земли: давление около одной атмосферы, температура в
пределах 0—40° С, влажность 20—30%. В этом случае
учет космических условий необходим только при констру.
ировании наружных окон в герметизированном отсеке.
Основными требованиями к конструкции космических
оптико-электронных приборов являются требования воз-
можно меньших массы габаритов и расхода мощности
питания.
Допустимые величины этих параметров для БАР опре-
деляются размерами космического аппарта и мощностью
его блоков питания. Так, для метеорологических спутни-
ков Земли типа «Тирос» и межпланетных станций типа
«Маринер» масса инфракрасных радиометров не превы-
шает 2 кг, габариты лежат в пределах 15X15X14 см, а
потребляемая мощность питания не превосходит 2—3 вт
[30].
Однако информация, доставляемая бортовыми авто-
матическими радиометрами и спектрометрами, столь
важна для научных исследований в космосе, что в послед-
нее время наблюдается общая тенденция предоставлять
для этой аппаратуры большие массу, габариты и больший
расход мощности питания. Можно предположить, что в
дальнейшем допустимая масса комплекса из двух радио-
метров (узкопольного и широкопольного) со всеми вспо-
могательными устройствами, входящими в комплекс, бу-
дет около 50 кг, а расход мощности питания будет дости-
гать 50 вт. Соответственно увеличатся и габариты прибо-
ров. Однако необходимо учитывать сложность увеличения
веса полезной нагрузки и мощности источников питания
космических аппаратов.
Глава II
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОННОГО КАНАЛА БОРТОВОГО
АВТОМАТИЧЕСКОГО РАДИОМЕТРА
2.1. НАЗНАЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО КАНАЛА
Изменение лучистого потока на входе оптической сис-
темы БАР преобразуется в изменение электрических сиг-
налов в ПЛЭ. Величины этих сигналов весьма малы. Для
их усиления и преобразования в форму, удобную для за-
поминания и передачи на Землю, предназначается элект-
ронный канал БАР.
Основное назначенке-узкодольцого^^АР— дать коли-
чественную картину распределения_л^коста_ (температур
ры) от точки к точке. Следовательно, электронный канал
БАР должен воспроизводить сигнал с минимальным
ухудшением его, возникающим за счет нелинейных иска-
жений и шумов. Поэтому основное требование к элек-
тронному каналу БАР—это обеспечить максимальную
линейность большого,динамического, диапазона, высокую
<Й^ильноств_ампдитудной характеристики при .малом
уровне собственных шумов. Кроме того, при установке на
ИСЗ и МАС БАР необходимо максимально ограничивать
массу и энергопотребление.
Выполнение указанных требований при малой массе и
энергопотреблении представляет собой достаточно слож-
ную задачу. Кроме того, при проектировании электронно-
го канала помимо общеизвестных и тем не менее весьма
сложных вопросов, связанных с усилением очень низкого
.ровня сигнала, приходится решать вопросы температур-
ь ои стабилизации. Снимаемый с ПЛЭ сигнал в электрон-
ном канале подвергается первичной и вторичной обработ-
ке.! Год первичной обработкой'ш снимается согласование
75
I
ПЛЭ с предварительным_мсилителем. Ее цель — свести L
минимуму шум самой электронной схемы на выходе
системы. Под вторичной обработкой понимается ~элект-
ронная фильтрация, цель которой отделить сигнал от йХ
точника на фоне шумов.
На выходе ПЛЭ, преобразующего изменение лучисто-
го потока в колебания электрического поля, всегда
в той или иной мере присутствуют шумовые, флюк-
туации. ПЛЭ являются фотосопротивлениями или бо-
лометрами, для которых изменение падающего наштри-
емник лучистого потока приводит_к_соответствую1цему
изменению их сопротивлении. Для того, чтобы выделить
это изменение, нужно подключить__к. ПЛЭ напряжение
питания и сопротивление нагрузки. Эта схема включеГГйя I
ПЛЭ также добавляет шум.
Первый каскад предварительного усилителя обычно
служит для увеличения сигнала и шума до такой величи-
ны, когда шумы последующей схемы вносят весьма не-
значительное их увеличение. Поэтому схема включения и
первый каскад предварительного усилителя особенно
важны для чувствительности всей системы.
Качество электронной схемы характеризуют коэффи-
циентом шума. Последний определяется как отношение
сигнала к мощности шума на входе схемы, деленное на ту
же величину на ее выходе в той же полосе пропускания.
При этом за шум системы на входе обычно принимают
шум, определяемый только флюктуациями внутреннего
сопротивления ПЛЭ. Этот уровень шума является мини-
мально предельным и его принципиально нельзя умень-
шить.
Коэффициент шума для схемы, состоящей из ПЛЭ,
схемы включения и предварительного усилителя с coot- J
ветственными коэффициентами шума и коэффициентами I
усиления: ЕТьтэ , Квк, Еус и Кплэ, Кък, Кус,
равен
Р__. р 1 в К 1 _l •с_
плэ ”Г .л I ., .,
_ плэ 4 плэХвК
Так как
^плэ=^» т0 ^7 = Кплэ4-(Е\к —1)-| —- .
К.п,к
Создание наилучшей с точки зрения коэффициента
шума схемы согласования ПЛЭ с предварительным уси-
76
лителем, схемы самого предварительного усилителя и их
конструкций является основной задачей при проектиро-
вании электронного капала БАР.
Предварительные усилители могут быть на лампах и
полупроводниковых триодах. Каждая ламповая или полу-
проводниковая схема предварительного усилителя харак-
теризуется зависимостью коэффициента шума и коэффи-
Рис. 2.1. Зависимость коэффициента шума кремниевого
триода от сопротивления источника
циепта усиления от сопротивления ПЛЭ. При этом всегда
можно указать оптимальное значение величины внутрен-
него сопротивления ПЛЭ, при котором коэффициент шу-
ма имеет наименьшее значение. На рис. 2. 1 показана за-
висимость коэффициента шума от сопротивления ПЛЭ
для типичного кремниевого п-—р—п триода. Отсюда сле-
дует зависимость выбора схемы предварительного усили-
теля от величины внутреннего сопротивления и коэффи-
циента шума ПЛЭ. Например, для полупроводникового
иолометра с величиной сопротивления от 125 кол: до
2,5 Л1ол и коэффициентом шума порядка 1,2 предвари-
гельный усилитель предпочтительнее делать на электрон-
ных лампах. Необходимость применения из соображений
экономии мощности питания, меньшей массы и габаритов
полупроводникового предварительного усилителя приво-
дит к существенному увеличению коэффициента шума.
ДДя ПЛЭ с более низким внутренним сопротивлением
77
порядка 1 —10 ком (например, ПЛЭ па основе антимонц.
да индия) лучше применять полупроводниковый предва-
рительны й ус и лите л ь.
В ряде случаев целесообразно вместо непосредствен*
пой или емкостной связи ПЛЭ со схемой предварительно-
го усилителя применять трансформаторный вход (напри-
мер, для металлического болометра).
Задача электронной фильтрации в БАР обычно ре-
шается выбором нужной полосы частот и формы частот-
ной характеристики. В общем случае это достигается за
счет пропускания той области частот, где сигнал наиболь-
ший, а шум наименьший.
Для линейных систем существуют методы, позволяю-
щие выбрать паилучший фильтр при известных статисти-
ческих свойствах сигнала и шума. Наилучшим для изме-
рительных систем считается тот фильтр, который обеспе-
чивает наименьшую среднюю квадратическую ошибку
воспроизведения.
Если при проектировании БАР известны ожидаемые
статистические характеристики распределения яркости ис-
следуемого объекта, то при известной скорости сканиро-
вания можно оценить спектр мощности сигнала. Он опре-
делит полосу пропускания электронного канала. Иногда,
зная или задаваясь предполагаемой формой и размером
наименьшей величины неравномерностей яркости иссле-
дуемой поверхности, можно при известной скорости ска-
нирования предугадать форму и длительность электри-
ческого сигнала на выходе ПЛЭ. В этих случаях элект-
ронный фильтр рассчитывается методами частотного
анализа, при котором обнаруживаются сигналы опреде-
ленного вида, соответствующего ожидаемому сигналу.
2.2. БЛОК-СХЕМА ЭЛЕКТРОННОГО КАНАЛА БАР
И ТРЕБОВАНИЯ К ЕЕ ОТДЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТАМ
В БАР почти всегда лучистый поток модулируется, и
сигнал на выходе ПЛЭ представляет собой амплитудно-
модулировашюе напряжение. Несущая частота при
этом определяется частотой вращения модулирующе-
го диска и равна частоте модуляции лучистого потока.
Для извлечения из сигнала несущей частоты интересую-
щей информации (функции распределения яркости иссле-
дуемой поверхности планеты вдоль направления сканиро-
вания) в электронном канале БАР применяется детекти- -
78
вани.е. Исключение могут представить лишь некоторые
^1ды БАР, в которых из тех или иных соображений ре-
гистрация выходного напряжения с БАР и передача на
Землю проводится па несущей частоте. Первоначальный
модулирующий сигнал, соответствующий распределению
яркости/в этом случае восстанавливается при расшиф-
ровке информации на Земле. Детектирование (демодуля-
ция) сигналов может проводиться при помощи избира-
тельной цепи в линейных и нелинейных цепях с последу-
ющим выделением нужной части спектра сигнала. Типич-
ная блок-схема электронного капала БАР приведена на
рис.
Рис. 2.2. Типовая блок-схема электронного канала БАР
В процессе сканирования характер изменения яркости
(температуры) исследуемой поверхности планеты вдоль
строки сканирования можно описать некоторой функцией
времени.
Очевидно, эта функция может быть разложена на со-
ставляющие, охватывающие спектр частот от 0 до
Благодаря наличию модулятора попадающий на чувстви-
тельную площадку ПЛЭ поток излучения модулируется
и превращается в амплитудно-модулировапное колебание
с несущей частотой, равной соо-
На рис. 2. 3 приведено в качестве примера изменение
входного потока при использовании в качестве опорного
источника излучения космического пространства с Всп=0
(рис. 2. 3, а).
Если постоянная времени ПЛЭ Тплэ много меньше
периода наивысшей частоты спектра входного сигнала,
т-е.
напряжение с выхода ПЛЭ полностью повторяет харак-
тер изменения входного потока (2.3 6, в). Поэтому на-
79
пряжение на выходе ПЛЭ в общем случае можно за-
писать как ’
гв%<7 Ш (1 4-cosw0/)= I
=^/W-C(1+cos“A (2.1)
где Ui> = Sul3aiumKq...
Рис. 2.3. Ферма сигналов на входе и выходе
ГТЛЭ сканирующего БАР
В частном случае, когда яркость измеряемой поверх-
ности постоянна, т. е. /’(/)=const; 5(Ш=0 (рис. 2. 4,о)
U = — (1 -} cos сс0/) — — 4- — cos
ил 2 и \ I и / 9. 2 v
Если исследуемая поверхность представляет собой че-
о
редующиеся с частотой /=— полосы одинаковой шири-
ны, равной величине мгновенного поля зрения, и яркостью
80
соответственно В\ и В2 (рис. 2.4,6), напряжение на выхо-
де ПЛЭ можно описать уравнением
(1+msin 2/)у (1 + cos%/)=
~ у Ц) (1 ~г sin 2/) г у Uo (1 _ т sin 2/) cos
где
^0 =
В' -ь в2
2
tn — глубина модуляции;
(оо — несущая ч астота;
Q —частота изменения яркости при сканировании.
Рис, 2.4. Форма сигнала на входе ПЛЭ БАР:
«-•яркость источника постоянна вдоль строки сканирования; б—яркость
источника изменяется вдоль строки сканирования по прямоугольному закону
Избирательный усилитель не пропускает как постоян-
ную составляющую сигнала с ПЛЭ, так и составляющую
на частоте изменения яркости Q. Поэтому полезным сиг-
налом на входе электронного канала БАР в первом случае
является синусоидальное напряжение частоты соо и
амплитуды
6'о .
2
1 ~у cos SwTH(0H^n cos
(2.2)
81
Во втором случае полезный сигнал представляет собой
амплитудно-модулироваиное напряжение, описываемое
уравнением
—- - UQ (1 4- w sin 2/) cos <%/=
2
В2 — Д . о ,
~------- si л Qt
В2 4- Bi
cos(%A (2.3)
Существенным является то, что амплитуда полезного
напряжения на входе детектора электронного канала БАР
равна только половине напряжения, получаемого от ПЛЭ.
Нелинейное детектирование обычно осуществляется
двумя видами детекторов: квадратичным детектором п
так называемым линейным детектором”
В квадратичном детекторе величина напряжения на
выходе детектора пропорциональна квадрату входного
напряжения, а в линейном детекторе пропорциональна
абсолютной величине входного напряжения
UЛ7~ — £70 (1 + m sin 2/) cos 2 КуК
2
2
дт
Если на вход квадратичного детектора подать ампли-
тудно-модулированный сигнал, определяемый формулой
(2. 3), то на выходе детектора напряжение будет равно-
— f l + 'y'j cos 2%/— msin(2w0 — Q)/-[-
ДТ---
-|- tn sin (2% 2) t -J-m2 cos 2 (<o0 — 2) t +
+cos 2 (o)o-{-S) Л/ф^т.
Для выделения полезного сигнала U0(t) за детек-
тором включается фильтр, который должен пропустить
только частотные составляющие полезного сигнала. По-
скольку обычно несущая частота много выше частот этих
составляющих, отделение частоты соо и 2соо, а также пос-
тоянной составляющей, если она не содержится в моду-
лирующем сигнале, не составляет большого труда. Тогда
на выходе после фильтра получим
82
KyKl Кф (1 +
zn2
2
m2 002
—-—cos 22/
2
где Лу, /(дт, /<ф — коэффициенты усиления усилителя, де-
тектора, фильтра.
В линейном детекторе величина выходного напряже-
ния пропорциональна абсолютной величине входного на-
пряжения
Uo (1 4- tn sin 2/) cos <оо/
При подаче на его вход амплитудпо-модулированного
сигнала, определяемого формулой (2.3), на выходе по-
лучим
<ю
U = — иг И |- т sin 2/ — -------X
лт п. 1 г
К-1
cos 2K^t 4~ ~ sIri(2Z<(D0-j-2)/—
--^sin(2A4-Q)/]jA;A^T.
После низкочастотного фильтра
Дш = — Ц)(1 -1-msin а/) К !<„Кф.
я J
Из полученных уравнений видно, что в спектре про-
детектировашюго сигнала при квадратичном детектиро-
вании появилась составляющая с частотой 2Q, не содер-
жащаяся в исходном сигнале. Фильтрация этой составля-
ющей может быть затруднительной или вовсе невозмож-
ной, если спектр модулирующего сигнала сложный. Это
приводит к нелинейным искажениям выходного напряже-
ния. Величина клирфактора, характеризующего нелиней-
ные искажения, равна отношению амплитуд составляю-
щей с 2Q к амплитуде составляющей основной частоты Q.
Эта составляющая зависит от глубины модуляции т. Чем
Меньше т, тем меньше нелинейные искажения. Поэтому
Данный вид детектирования может применяться только
при очень малой глубине модуляции
83
В отличие от квадратичного детектирования при ли
нейном детектировании нет нелинейных искажений. При
этом виде детектирования лучшей оказывается большая
глубина модуляции. Поэтому в электронном канале БАР
с линейным детектированием может быть получен боль
шоп динамический диапазон.
Практически одна и та же схема детектирования в за
висим ости от уровня амплитуды напряжения несуще!
частоты может рассматриваться либо как квадратичное
детектирование (при больших величинах входного напря
жения), либо как линейное (при малых величинах вход
ново напряжения).
Поэтому в схемах с нелинейным детектированием не
представляется возможным обеспечить большой динами
чсский диапазон при высокой линейности амплитудной
характеристики. Для выполнения этого требования в
электронных каналах БАР используются схемы син-
хронного детектирования.
Этот вид детектирования требует присутствия вспомо-
гательного напряжения, синхронного с частотой сигнала
Под действием этого напряжения изменяется коэффици-
ент передачи некоторой линейной цепи по закону
' \ 0 I on ,
где p и 7(o — постоянные коэффициенты передачи линей-
ной цепи при синхронном детектировании.
сигнал
Если на входе цепи действует гармонический
U-^—U^cqs со/,
то на выходе ее получим напряжение £72, равное
cos со/ /Л4п cos
__ 7/7 7 ,.U I „W7on r ,rt\2
— COS (%— co) Л
На выходе низкочастотного фильтра с полосой пропус-
кания значительно меньшей, чем частота несущей ыо, бу-
дет выделяться напряжение только частоты (со—con), про-
порциональное амплитуде входного сигнала:
U3~р cos (io
(2.4)
2
84
При (о = соо, когда частота вспомогательного напряже-
ния синхронна и синфазна с частотой входного сигнала:
U1ги
2
Если между ними имеется сдвиг фаз Дф, то
/Уз — р cos Д«.
Помимо указанной выше возможности получения
большого динамического диапазона и высокой линейно-
сти, cnHxpoHiioc детектирование имеет ряд друг.цхлрШ1КУ-
щёс. тв пер ед нели н ей н ы детекти р ов a i1 нем, д им е н но:
'1. Позволяет’щЗосто создать электронный канал БАР
с узкой полосой пропускания па любой частоте модуляции
потока. Полоса пропускания при синхронном детектиро-
вании определяется в основном постоянной времени филь-
тра после детектора. Им может быть простая цепь RC с
достаточно большой постоянной времени, состоящая из
параллельно включенных сопротивления и емкости.
2. Позволяет выделить знак разности излучения меж-
ду яркостью измсряемог(ГПТстбшшка излучения и яр-
костью опорного источника в тех БАР, в которых излуче-
ние опорного источника не равно нулю. В зависимости от
величины яркости измеряемого источника относительно
яркости опорного фаза напряжения с выхода ПЛЭ меня-
ется на противоположную.
3. Позволяет повысить точность дхддцрметрических из-
мерений, так как при синхронном детектировании шум не.
дает постоянной составляющей па выходе.
4. Обеспечивает большую точность при измерениях
малых величин яркостей, так как отношение сигнала к
шуму на выходе в схеме с синхронным детектированием
при малых величинах входного сигнала значительно
больше.
В системах с синхронным детектированием спектры
сигнала и шума преобразуются линейно, независимо друг
°т друга. Форма спектров остается_той же самой, но сдви-
гается по частоте. Поэтому отношения сигнала к щуЩЕ-
Яа входе и выход^сиюфонщ^
В схемах с использованием квадратичного или линей-
ного детектора спектр шума па выходе не только сдвинут
п° частоте, как это имеет место с синхронным детектиро-
85
ванием, но и деформирован. Вследствие этого уровень вы-
ходного шума (постоянная составляющая и среднее
квадратическое значение переменной составляющей) су-
щественно зависит от уровня детектируемого сигнала.
Отношение сигнала к шуму на выходе детектора не равно
отношению сигнала к шуму на входе детектора, оно
уменьшается с уменьшением последнего.
Поэтому квадратичное и линейное детектирование
применяют только при достаточно большой величине из-
меряемого потока.
В электронных каналах БАР с использованием синх-
ронного детектирования необходимо иметь возможность
подать на детектор управляющий сигнал постоянной
амплитуды, строго синфазный и синхронный детектируе-
мому напряжению несущей частоты. Как следует из урав-
нения (2.4), величина напряжения выходного сигнала
зависит от амплитуды управляющего сигнала и сдвига
его фазы относительно фазы несущего сигнала. Непо-
стоянство этих величин может быть источником погреш-
ностей.
Для исключения погрешности, обусловленной зависи-
мостью выходного напряжения от амплитуды опорного
сигнала, строят линейные цепи, в которых коэффициент
передачи в течение времени, равного половине периода
модуляции, скачкообразно изменяется от величины Ki до
К2- ГТри этом открываются возможности для детектиро-
вания спектральных компонентов входного напряжения
на частотах нечетных гармоник частоты модуляции, так
как, разложив коэффициент передачи в ряд Фурье, полу-
чим
К=/<0+ 2 №-~/<г)-
л
I
—— cos5<%/-}-...
Для того, чтобы избежать возрастания помех перед
синхронным детектором, работающим в режиме скачко-
образного изменения коэффициента передачи, включают
избирательный усилитель, сильно ослабляющий помехи
в области нечетных гармоник. При этом полоса пропуска-
ния усилителя должна быть значительно шире области
возможных колебаний несущей частоты вследствие не-
стабильности вращения модулятора. В противном случае
отклонения частоты модуляции от ее номинального зна-
чения приведут к изменению уровня напряжения на вы-
ходе из-за изменения сдвига фаз и амплитуды сигнала в
соответствии с амплитудно-фазовой характеристикой схе-
мы, предшествующей детектору.
Для получения управляющего напряжения используют
генераторы опорных напряжений (ГОН), связанные ме-
ханически или оптически с вращением модулирующего
диска.
Из-за инерционности узкополосного усилителя всегда
имеет место сдвиг фазы между напряжением сигнала и
напряжением с ГОН Поэтому в схеме электронного ка-
нала ГОН должна быть предусмотрена регулировка фазы
управляющего напряжения для синфазности напряжений
на синхронном детекторе. Опа может быть выполнена ли-
бо в самой конструкции ГОН, либо в последующей элект-
рической схеме усиления и формирования управляющего
напряжения.
Иногда для исключения фазового сдвига между на-
пряжением сигнала и управляющим напряжением для
формирования управляющего напряжения используется
само напряжение сигнала с выхода усилителя.
К схеме включения ПЛЭ и усилителю электронного
тракта БАР предъявляются высокие требования к ста-
бильности коэффициента передачи и частотной характе-
ристики в большом динамическом диапазоне изменения
температур. Для обеспечения этого требования усилители
строятся с глубокой обратной связью, стабилизирующей
коэффициент усиления. ПЛЭ с большой температурной
^зависимостью (полупроводниковые бсЖмётры и термо-
элементы) включается по компенсационной схеме. ПЛЭ
выполняется из двух чувствительных площадок — рабо-
чей и компенсационной, расположенных в непосредствен-
ной близости друг от друга и поэтому находящихся в оди-
наковых температурных условиях. Площадки в процессе
изготовления ПЛЭ подбираются по своим характеристи-
кам максимально близкими Друг к другу. В компенсаци-
онной схеме включения ПЛЭ (рис. 2. 5,а) площадки вклю-
чены в соседние плечи моста. Двумя другими плечами
служат проволочные сопротивления. На рабочую площад-
ку попадает измеряемое излучение. На компенсационную
площадку оно не попадает. При изменении температуры
окружающей среды сопротивления обеих площадок изме-
87
86
ияются одинаково, и, следовательно, коэффициент переда-
чи мостовой схемы остается неизменным. Другая схема
включения ПЛЭ (рис. 2. 5,6) предусматривает включение
площадок в противоположные плечи моста и одновремен-
ное засвечивание их лучистым потоком. Очевидно, что в
Рис 2. 5. Схемы включения ПЛЭ
этом случае нет компенсации изменения сопротивлений
чувствительных площадок. Схема обычно применяется
для включения металлических болометров, у которых
очень мал температурный коэффициент и мала чувстви-
тельность. При включении этих болометров по схеме
рис. 2.5,6 в два раза увеличивается величина напряже-
ния, снимаемого с ПЛЭ на вход предварительного усили-
теля.
Для определения температурного режима БАР элект-
ронный канал имеет электрические схемы для измерения
температуры отдельных точек конструкции БАР и контро-
ля температуры эталонного источника. Данные темпера-
турного режима БАР являются вспомогательной инфор-
мацией и используются по расшифровке по градуировоч-
ным кривым основной информации. К вспомогательной
информации относятся также метки начала (конца) стро-
ки при сканировании и метки времени, необходимые для
того, чтобы полученную величину яркости (температуры)
88
отнести к соответствующим точкам исследуемой поверх-
ности планеты.
В электронном канале БАР имеются также специаль-
ные схемы стабилизации напряжения питания эталонного
источника” или-схемы автоматического регулирования
Температуры для поддерживания температуры эталонно-
го' излучателя пд._опр.еделенном _ уровие с угребуем ой точ-
ностью._
1
Рис. 2.6. Динамический диапазон изменения
сигнала на выходе ПЛЭ
В тех случаях, когда требуемый динамический диапа-
зон измерений входногб“сигнала (рис. 2. 6) чрезмерно
большой и не может быть выполнен при высокой линей-
ности электронного капала, применяется либо логариф-
мический усилитель, либо ступенчатое переключение ко-
эффициента усиления. Использовать лог а рифм ичёский
усилитель из соображений обеспечения высокой точности
измерений менее желательно.
Только при линейном расширении динамического ди-
апазона имеется возможность уменьшения ошибки в
оценке амплитуды входного сигнала. В большинстве слу-
чаев динамический диапазон входного сигнала больше,
чем возможный динамический диапазон сигнала на вы-
ходе. Единственным выходом в таких случаях и особенно,
когда требуется высокая точность радиометрических из-
мерений, является разделение всего входного диапазо-
на на ряд интервалов, внутри которых динамический ди-
„ U п:ах
апазон меньше возможного ———- •
При разделении па три интервала, как показано на
89
рис. 2. 7, с одинаковым диапазоном внутри каждого из
них величина интервала оказывается равной
Рис. 2.7. Разделение входного динамического диапазона для
ступенчатого переключения каналов выхода БАР
Верхние границы каждого интервала определяются
уравнениями:
Очевидно, что при разделении на п интервалов верх-
няя граница Z-го интервала определяется как
^у.
г \ Anin 1
Разделение динамического диапазона осуществляется
соответствующим выбором коэффициентов усиления в
каждом канале. Например. для двухканального усилите-
ля (рис. 2. 8).
Динамический диапазон входного напряжения, соот-
ветствующий изменению яркости, от Z>niin до £ггах, раз-
бивается на дна ичтервала: от „,1п до У ЩДДДД
и от |/ mint/B!. max до Cmax. Выходной динамический
диапазон каждого интервала должен быть равен выход-
ному динамическому диапазону, заданному системой те-
леметрической передачи, - та- .
90
Коэффициенты усиления каналов рассчитываются на
том основании, что максимальное напряжение на выходе
первого канала Утах должно иметь место при максималь-
ной величине входного напряжения t/max, а минимальное
значение выходного напряжения Уты при минимальной
величине входного напряжения для данного диапазона
V ^min^max’
V £Лп1гДтах
^тах
U шах
Рис. 2.8. Блок-схема электронного канала БАР
с разделением каналов
На выходе второго канала аналогично должна быть
обеспечена минимальная величина выходного напряже-
ния при подаче на вход минимальной величины входного
напряжения Z7mm и максимальная величина выходного
напряжения Утах при подаче на вход максимальной ве-
личины для данного капала входного напряжения
то
Уи^и min • У min ^тах
б1 min Г тах U max ®max
к2=— Ki Ущ1п б’тахУт1п_ f/min ^inln
Б' nt in Ут»х^ min Утах Утах J
У.ШП Улпп
т. е. К2 равно отношению динамических диапазонов вход-
ных и выходных величин.
Тогда при изменении входного сигнала от £7ты до
I Т7т].пб/гг:ах сигнал на выходе последнего каскада растет
от Уты до Утах, а сигнал на выходе предпоследнего кас-
када U\ остается меньше ymJn. При изменении входного
сигнала от /^minZ7niaj. до UinAX сигнал па выходе предпос-
леднего каскада растет от Уты до Утах, а напряжение на
выходе последнего каскада превышает Утах-
91
Если входной, сигнал (величина яркости) находится в
первом нижнем интервале, то Vi<Vmjn; Уг<Утах.
Если величина измеряемой яркости находится во вто-
ром верхнем интервале, то Vi>Vin<n; V2>lzmax-
Логическое устройство, построенное на использовании
этих условии, может обеспечить автоматический выбор
канала или коэффициента усиления, необходимого для
измерения исследуемого излучения с требуемой точ-
ностью.
2.3. СТРУКТУРНЫЕ И ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
ЭЛЕКТРОННЫХ КАНАЛОВ НЕКОТОРЫХ БАР
Инфракрасный радиометр МАС «Маринер-П»
Структурная схема инфракрасного радиометра МАС
«Маринер-П» приведена на рис. 2.9.
Оптическая схема радиометра (см. рис. 1. 13) состоит
из двух одинаковых каналов. Оба оптические капала
Рис. 2,9. Структурная схема БАР МАС «Маринер II»
имеют идентичные электронные каналы. Для уменьшения
уровня шума полупроводниковые болометры питаются
стабилизированным и тщательно отфильтрованным на-
пряжением. Болометры подключаются к предваритель-
ным усилителям со следующими характеристиками:
усиление по напряжению — 3300;
входное сопротивление — 1,5 Моя;
выходное сопротивление — 50 оаг,
полоса пропускания — от 5 до 1800 гц.
92
Конструкция предварительного усилителя обеспечива-
ет низкий уровень шумов. При внутреннем сопротивлении
приемника излучения, равном 100 ком, коэффициент шу-
ма равен 1,12 в указанной полосе частот.
Рис. 2.10. Принципиальная электрическая схема предусили-
теля БАР МАС «Маринер-П»
На рис. 2. 10 приведена принципиальная электричес-
кая схема предварительного усилителя, построенного на
транзисторах.
Первые четыре каскада построены по схеме с общим
эмиттером и соединены непосредственной связью. Выход-
ной сигнал с последнего пятого каскада, собранного по
схеме эмиттерпого повторителя, подается на эмиттер пер-
вого каскада через цепь обратной связи, работающей на
постоянном токе. Так как в предварительном усилителе
имеется цепь обратной связи, обеспечивается большое
входное и малое выходное сопротивление, а также стаби-
лизация рабочей точки первого каскада. Так как коэффи-
циент усиления предварительного усилителя на средних
частотах определяется величиной сопротивления в цели
обратной связи, для стабилизации коэффициента усиле-
ния при изменении температуры окружающей среды в
Цепи обратной связи используются проволочные сопро-
тивления.
93
Предполагаемый диапазон возможной температуры
облачного покрова Венеры был определен от 200 до
600° К. Это соответствует входному диапазону изменения
потока энергии или напряжения на выходе болометра:
И. max (200° К) 1 ,73-10“4 , оол . о А
7,ma>oj кГ “М^=^=1:32° для канала с Х=8,4лг«л;
Отах(200° К) 3.08-10“4 ,
ДтзТеоо°к) =-злы(г»5=1:100 для каиала с х=
—10,4 мкм.
Диапазон изменения выходного напряжения ограничи-
вался величинами от 1 до 6 в. Поэтому для сжатия дина-
мического диапазона в электронном канале использован
л ог а р и фм и ческий у си л ител ь.
Сигнал с выхода логарифмического усилителя посту-
пает па вход синхронного выпрямителя. Синхронный вы-
прямитель — однополупериодный, построен на однокас-
кадном транзисторном переключателе. Полоса пропуска-
ния определяется /?С-фильтром, включенным на выходе
синхронного выпрямителя перед эмиттер ным повторите-
лем. Постоянная времени фильтра выбрала такой, что
при скачкообразном изменении входного потока время
нарастания выходного напряжения от 10 до 90% со-
ставляет величину порядка 3тф = 3 сек. Это соответствует
полосе пропускания порядка Д/=—!—=0,16 гц.
2зттф
Аналоговый выходной сигнал снимается каждые
20 сек и преобразуется с помощью бортовой системы об-
работки данных в цифровую форму, обеспечивающую
213 дискретных уровней, для всего динамического диапа-
зона выходного напряжения.
Опорное напряжение для синхронного детектирования
выдается с помощью фото датчика, состоящего из малога-
баритной лампы накаливания, кремниевого диода и триг-
гера Шмидта.
Пятиканальный узкопольный радиометр,
установленный на ИСЗ «Тирос-П»
Структурная схема радиометра приведена на
рис. 2. 11.
94
Принципиальная схема ОПУ приведена на рис. 1. 11.
В каждом капало радиометра имеется свой собствен-
ный электронный усилитель. На рис. 2. 12 приведена
упрощенная электрическая схема усилителя спектраль-
ного капала с иммерсионным ПЛЭ.
Рис. 2. 11. Структурная схема БАР ИСЗ «Тирос-П»
Для того, чтобы обеспечить достаточно большую ве-
личину входного сопротивления, необходимого для согла-
сования с высокоомным иммерсионным ПЛЭ, для пред-
варительного усилителя использована электронная лам-
па с прямым накалом.
Усилитель состоит из двух частей — усилитель посто-
янного тока (транзисторы Tl, Т2, ТЗ, Т4) и усилителя пе-
ременного тока (транзисторы Т5, Тб, Т7).
Усилитель постоянного тока трехкаскадный, построен
на транзисторах с непосредственной связью. Первый кас-
кад, построенный на триодах Tl, Т2, является дифферен-
циальным усилителем, па один вход которого подается
напряжение с предварительного усилителя, а второй вход
используется для введения сигнала обратной связи с вы-
хода третьего каскада па триоде Т4. В цепь обратной
связи включен двойной Т-образный мост. Дифференци-
альный усилитель помимо хорошей стабилизации по по-
стоянному току обладает высоким входным сопротивле-
нием (порядка 0,25 Лкш), необходимым для включения
полосообразующего двойного Т-образного фильтра, а
также и ПЛЭ.
Контур обратной связи обеспечивает почти 100%-ную
обратную связь по постоянному току, которая стабили-
зирует рабочие точки транзистора Т2 и последующие ка-
скады. Двойной Т-образный мост настроен на частоту
95
й Plf7
Рис. 2. 12. Принципиальная электрическая схема усилителя первого канала БАР ИСЗ
«Тнрос-П»
IT
96
модуляции 46 aq и полосу пропускания ±8 гц. Полоса
пропускания регулируется величиной сопротивления R1.
Дополнительное подавление низких частот обеспечивает-
ся цепочкой R2C1.
Усиление усилителя постоянного тока зависит от глу-
бины обратной связи. Последняя определяется величиной
напряжения, подаваемого к базе транзистора Т2, или ве-
личиной частотно-зависимого делителя напряжения, об-
разованного сопротивлениями и включенными по-
следовательно с С1, и сопротивлением двойного Т-образ-
ного фильтра. Для частоты 46 гц фильтр эквивалентен
цепи короткого замыкания. Коэффициент усиления при
этом приблизительно равен 1500.
Усилитель переменного тока включает в себя два кас-
када усиления на транзисторах То и Тб, включенных по
схеме с общим эмиттером и с отрицательной обратной
связью от коллектора Тб к эмиттеру То. Помимо темпера-
турной стабилизации обратная связь уменьшает выходное
сопротивление каскада на Тб и увеличивает входное со-
противление каскада на Т5.
Потенциометр R7 в цепи обратной связи служит для
регулировки коэффициента усиления по напряжению.
Последний каскад на транзисторе Т7 является фазо-
инвертором с коэффициентом усиления, равным 1. Фазо-
пнвертор с заземленной средней точкой используется для
получения выходного напряжения постоянного тока.
Напряжения с транзисторов Тб и Т7 поступают на мос-
товой выпрямитель на диодах, па выходе которого уста-
новлен фильтр нижних частот, ограничивающий полосу
пропускания до 8 гц.
Используемые в других спектральных каналах усили-
тели не имеют лампового усилителя.
1олупроводниковые болометры без иммерсии имеют
больший размер чувствительной площадки, а следова-
тельно, достаточно низкое внутреннее сопротивление, хо-
рошо согласующееся с входным сопротивлением транзис-
торного дифференциального каскада.
Регулировка усиления в каскаде с обратной связью
позволяет осуществить предварительную установку коэф-
фициента усиления в соответствии с ожидаемым в данном
навале уровнем входного сигнала. Максимальное усиле-
ние по выходному напряжению постоянного тока пример-
но равно 3 • 105.
4
3009
Глава III
ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ЯРКОСТИ
ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ БОРТОВЫМ
АВТОМАТИЧЕСКИМ РАДИОМЕТРОМ
3. 1. ИСТОЧНИКИ ОШИБОК ИЗМЕРЕНИЯ БАР
ЯРКОСТИ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
Измерение, яркости излучения поверхности планет и их
атмосферы с помощью бортового радиометра является
сложной задачей, так как в процессе измерений кроме
радиометра работает система телеметрической передачи
выходных сигналов радиометра на приемно-командную
станцию на Земле. Очевидно, что конечная точность из-
мерения яркости исследуемого источника излучения за-
висит от ошибок всех звеньев измерительного процесса,
т. е. от ошибок радиометра, телеметрической передачи и
обработки данных на Земле. На основании анализа до-
пустимой величины результирующей ошибки измерения
яркости и учета технических возможностей каждого из
звеньев устанавливается предельно допустимая ошибка
измерения яркости самим радиометром.
В техническом задании на разработку бортового ав-
томатического радиометра наряду с другими данными
указывается величина максимально допустимой относи-
тельной ошибки измерения яркости радиометром ДВ/Втах’
где ДВ — абсолютное значение максимального допусти-
мого отклонения измеренной радиометром яркости источ-
ника от ее истинного значения, — максимальная яр-
кость источника. При проверке изготовленного радиомет-
ра па заводе величина максимальной относительной
ошибки измерения проверяется по лабораторному чер-
98
ному излучателю с температурой излучения, равной мак-
симальной температуре источника излучения, для иссле-
дования которого предназначен радиометр.
Для метеорологических спутников Земли требуется,
сГтобы ДВ/Втах = о%. При этом, поскольку пространствен-
ный предел разрешения радиометра определен заданием
величины мгновенного поля зрения, в качестве истинного
значения яркости источника следует считать среднюю яр-
кость в пределах мгновенного поля зрения радиометра.
Определим приближенно, какие составляющие опре-
деляют заданную максимально допустимую относитель-
ную ошибку измерений яркости радиометром. Для этого
допустим, что радиометр спроектирован так, что влияни-
ем паразитного сигнала от внутреннего фона на выходной
сигнал можно пренебречь. В качестве опорного излучате-
ля в радиометре используется излучение неосвещенной
Солнцем части космического пространства. Кроме того,
допустим для простоты, что радиометрунеселективен. Тог-
да яркость источника по выходному сигналу радиометра
может быть определена по выражению (1.16).
Логарифмируя и дифференцируя выражение (1. 16),
получим относительную максимальную ошибку радиомет-
ра в следующем виде:
\В АУр . АС
в Vp
(3, n
где — абсолютная ошибка измерения выходного сиг-
нала;
АС — абсолютная ошибка измерения коэффициента
передачи.
Как видно из уравнения (3.1), максимальная относи-
тельная ошибка радиометра равна сумме относительных
ошибок измерения выходного сигнала радиометра и из-
мерения коэффициента передачи (между яркостью источ-
ника н выходным сигналом радиометра). Относительную
ошибку в выходном сигнале радиометра можно прибли-
женно считать зависящей только от шумов приемника
лучистой энергии и электронного канала. Действительно,
Поскольку значения всех остальных параметров конструк-
ции радиометра объединены в коэффициенте передачи,
ошибка в выходном сигнале, строго пропорциональном по-
току от источника, может вызываться только флуктуаци-
ей фона и шумами ПЛЭ. Для инфракрасного радиометра
4* 3009 99
флуктуация фона пренебрежимо мала по сравнению с
шумами болометров и фотосопротивлений. Поэтому бор.
товой инфракрасный радиометр для космических аппара-
тов может рассматриваться как оптико-электронная сис-
тема, чувствительность которой ограничена только шу-
мами приемника лучистой энергии и электронного канала.
Радиометры, использующие в качестве приемников
лучистой энергии фотоумножители или фотосопротивле-
ния, охлажденные до температуры, близкой к температуре
абсолютного нуля, являются системами, чувствительность
которых ограничивается фотонными флуктуациями фона.
Поэтому будем рассматривать ошибку в выходном сигна-
ле инфракрасного радиометра, т. е. отклонение получен-
ной величины выходного напряжения от истинного его
значения, как случайную ошибку, подчиняющуюся зако-
ну нормального распределения. Среднее квадратическое
значение этой ошибки примем равным среднему квадра-
тическому значению шума ПЛЭ jA, умноженному на
постоянный коэффициент учитывающий увеличение
шума па выходе БАР за счет шумов электронного капала.
В качестве максимальной случайной ошибки на выходе
радиометра примем утроенную среднюю квадратичную
ошибку
аур=з(*Д//Д),
(3.2)
где — коэффициент, учитывающий увеличение средне-
го квадратического значения шума ПЛЭ за счет
шума электронного канала радиометра
здесь [/бшэ — среднее квадратическое
значение
шума
электронного капала.
Ошибку в величине коэффициента передачи будем
считать систематической ошибкой [4]. Анализируя выра-
жение для коэффициента передачи С, нетрудно видеть,
что источником ошибки в величине коэффициента переда-
чи являются чувствительность приемника лучистой энер-
юо
flni Sw, коэффициент пропускания оптической системы ти
л коэффициент усиления электронного канала.
Эффективные значения геометрических параметров
й ton могут быть точно измерены в готовом радиометре и
записаны в паспорт.
Чувствительность ПЛЭ может изменяться с изменени-
ем температуры корпуса радиометра и с изменением ве-
личины падающего на ПЛЭ потока (энергетическая ха-
рактеристика ПЛЭ). Коэффициент пропускания оптичес-
кой системы может изменяться из-за осаждения на за-
щитном стекле мелких частиц космической пыли и других
явлений во время длительного полета в космосе. То же
надо сказать и о коэффициенте усиления электронного
канала. Регулировка коэффициента усиления электронно-
го усилителя переменного тока может изменяться с изме-
нением температуры корпуса радиометра и также во вре-
мени из-за изменения параметров ламп и транзисторов.
В селективном радиометре изменение коэффициента
передачи С (Л) будет вызываться изменениями эффектив-
ной спектральной ширины полосы пропускания. Поэтому
обеспечение только конструкцией радиометра необходи-
мой точности измерения яркости источника невозможно.
Как и для большинства точных измерительных прибо-
ров точность измерений, кроме конструкции радиометра. ,f
обеспечивается градуировкой каждого изготовленного
прибора. Результат градуировки записывается в виде
градуировочных графиков, выражающих зависимость
между выходным сигналом радиометра и яркостью ис-
точника излучения при разных температурах корпуса ра-
диометра.
Градуировочные графики являются основным доку-
ментом, с помощью которого ведется расшифровка сигна-
лов радиометра и вычисление яркости исследуемого из-
лучателя. Однако градуировочный график завода-изго-
товителя с течением времени устаревает и перестает точ-
но давать зависимость между яркостью источника и вы-
ходным сигналом радиометра. Поэтому он должен об-
новляться в результате повторных градуировок. После
Установки радиометра на борту КА градуировочный гра-
фик уточняется с помощью специального бортового эта-
лонного излучателя («эталонирование»).
Таким образом, точность измерения яркости радиомет-
ром зависит от точности градуировки и эталонирования,
4**
101
уменьшающих ошибку коэффициента передачи, и от ве-
личины отношения сигнал/шум па выходе радиометра.
Чем больше величина сигнала от источника превышает
величину шума на выходе радиометра, тем меньше удель-
ный вес случайной ошибки в результирующей ошибке
радиометра.
3.2. МЕТОДИКА ГРАДУИРОВКИ И ЭТАЛОНИРОВАНИЯ БАР
Радиометры градуируются в лабораториях завода-
изготовителя и в лабораториях базовых складов, где они
хранятся до установки на КА. Лабораторная градуировка
проводится на специальной контрольной установке -
градуировочной установке. Конструкция градуировочной
установки может быть различной на разных заводах, но
принципиальная схема не отличается от схемы, приведен-
ной на рис. 3.1, которая включает следующие элементы.
А — термобарокамера, в которой устанавливается ра-
диометр. Против входных окоп измерительного и опорно-
го каналов радиометра в термобарокамере располагают-
ся два черных тела 1 и 2. Черное тело 1 имитирует из-
лучение источника, черное тело 2 — излучение опорного
излучателя при постоянной температуре 78° К. Черные
тела представляют полые медные шары или цилиндры с
двойными стенками. Внутренние стенки покрыты черной
краской. Черные тела помещаются так относительно вход-
ных окон радиометра, чтобы их выходные отверстия пол-
ностью заполняли ноле зрения каналов радиометра, и,
следовательно, чтобы они являлись протяженными излу-
чателями.
Температура черного тела 1 задастся в соответствии с
ожидаемыми температурами источников, подлежащих
исследованию. Так, например, в радиометре МАС «Марин
нер-П» температура имитатора источника задавалась в
пределах от 200 до 600° К-
В термобарокамере, где помещается радиометр, под-
держивается разрежение воздуха до 10~5 мм рт. ст. Соз-
дание такого вакуума внутри камеры необходимо для
того, чтобы теплообмен между камерой и корпусом при-
бора происходил только за счет лучеиспускания, а не за
счет конвекции и теплопроводности воздуха внутри каме-
ры. Воздух внутри камеры разрежается с помощью фор-
вакуумного насоса 3 и диффузионного насоса 4. В течение
102
t50 мин достигается разрежение воздуха до 10~2 мм рт. ст.
форвакуумным насосом и в течение 10 мин до 10-5 мм
рт. ст. диффузионным насосом.
Рис. 3. 1. Схема лабора-
торной установки для
градуировки БАР
Температура имитатора источника 1 поддерживается
с помощью жидкого антифризу, циркулирующего между
стенками черного тела. Температура антифриза задается
и поддерживается с помощью термостата 6, через змеевик
которого проходит антифриз. Змеевик может охлаждать-
ся жидким азотом, поступающим в термостат из баллона 7,
или подогреваться горячим воздухом. Черное тело, ими-
тирующее опорный излучатель, охлаждается жидким азо-
том, поступающим из баллона 5 и циркулирующим между
стенками полости черного тела.
Температура корпуса радиометра задается в пределах
от 0 до 40° С (например, температуры 0, 20, 40° С) с по-
мощью нагретого воздуха, продуваемого между стенками
камеры Л и окружающим ее кожухом.
НПЗ
Температуры в термостате и корпусе прибора задают-
ся, регулируются и поддерживаются специальной элект-
ронной регулировочной аппартурой «ЭРА».
Аппаратура «ЭРА» работает следующим образом. С
помощью термодатчиков, расположенных на всех регули-
руемых элементах установки, контрольный пункт 5 «ЭРА»
получает информацию о температурах этих элементов в
виде электрических сигналов (напряжений постоянного
тока). Эти сигналы сравниваются с установленными в
«ЭРА» напряжениями, соответствующими заданным тем-
пературам. В зависимости от знака разности сигналов,
пришедших на пульт от элементов и установленных на
пульте, автоматически включается или подогрев нагретым
воздухом 9 или охлаждение от баллонов с жидким азо-
том. После приведения температуры элемента к заданной
«ЭРА» отключает подогреватель или охладитель. Точ-
ность поддержания заданной температуры аппаратурой
«ЭРА» равна 2%. Если задать обоим черным телам 1 и 2
одинаковую температуру, то на установке может быть
проверена точность выравнивания измерительного и опор-
ного каналов в данном радиометре. Установив температу-
ру черного тела 2 равной температуре кипения азота (эту
температуру принимают за температуру космического
околоземного пространства), задают телу 1 различную
температуру. При этом па магнитной ленте регистриру-
ющего устройства радиометра записываются выходные
сигналы, соответствующие задаваемой температуре ими-
татора источника.
После дешифровки полученных записей составляют
градуировочный график. Такой график приведен на
рис. 3.2. График представляет собой семейство кривых,
причем каждая—из кривых есть зависимость выходного
сигнала радиометра от температуры источника при задан-
ной температуре корпуса радиометра.
Для пользования градуировочными графиками необ-
ходимо знать температуру корпуса радиометра в момент
измерения яркости источника. Температура корпуса ра-
диометра измеряется термодатчиками, расположенными
на корпусе, и передается в виде электрических сигналов
на Землю одновременно с выходным сигналом с помощью
системы телеметрической передачи. Зная выходной сиг-
нал радиометра и температуру корпуса, определяют соот-
ветствующее значение температуры источника.
104
Изменение данных БАР лабораторной градуировки
может происходить с течением времени по многим при-
чинам, особенно в полете, когда космический объект под-
вергается действию целого ряда таких воздействий, как
коротковолновое электромагнитное излучение Солнца,
удары метеоритов, сублимация материалов, потемнение
оптики и т. д, Как следствие возможно уменьшение чув-
ствительности радиометра за счет, по крайней мере, трех
Рис. 3.2. Градуировочные графики:
1 и 2—температура корпуса радиометра 25е С; 3—темпера-
тура корпуса радиометра —45° С
причин: уменьшение коэффициента пропускания оптиче-
ской системы измерительного канала, ухудшение порого-
вой чувствительности ПЛЭ и уменьшение коэффициента
усиления электронного 1%анала. Поэтому бортовая граду-
ировка необходима для обеспечения заданной точности
измерений, особенно при длительном полете космических
аппаратов. Однако проведение полной градуировки ра-
диометра на борту невозможно, так как нельзя разме-
стить на борту громоздкую установку типа лабораторной,
но полностью автоматизированную, требующую значи-
тельного расхода мощности питания. Поэтому эталони-
рование проводится упрощенно и обеспечивает значитель-
но меньшую точность, чем лабораторная градуировка.
В качестве излучателя при эталонировании используется
малогабаритное черное тело или лампа накаливания, та-
рированная по черному телу. Эталонный излучатель мо-
жет быть смонтирован отдельно от радиометра в отсеке
105
ИСЗ или МАС, в котором размещен БАР или может
быть встроен в конструкцию корпуса БАР. В обоих слу-
чаях он должен быть для измерительного канала радио-
метр а иротяженпым.
Эталонный излучатель устанавливается таким обра-
зом, чтобы он попадал в мгновенное поле зрения радио-
метра в конце строки сканирования за пределами поля
обзора. Переход от измерения яркости источника к изме-
рению яркости эталонного излучателя проводится по
команде с Земли —-^тдлонир.ощшиех
Температура эталонного излучателя измеряется встро-
енными в пего термодатчиками и в виде электрических
сигналов посылается на Землю вместе с основной инфор-
мацией и температурой корпуса радиометра.
Таким образом, эталонирование радиометра па бор-ту
по сравнению с лабораторной градуировкой является про-
веркой лабораторного графика только в одной точке, т. е.
при одной температуре эталонного излучателя и темпера-
туре корпуса, имевшей место при эталонировании.
Наиболее удобным и часто применяемым эталонным
излучателем для ИТ\ радиометров со спектральным диа-
пазоном от 7 мкм и больше является простейшая модель
черного тела, например, в виде металлической плиты со
встроенными в нее термодатчиками. В зарубежной ли-
тературе такой эталонный излучатель называется «калиб-
ровочной плитой». Калибровочная плита устанавливается
в том же отсеке, что и БАР, с таким расчетом, чтобы при
сканировании в плоскости, перпендикулярной орбите, за
пределами строки измерительный капал «наблюдал» ка-
либровочную плиту. Излучение плиты при этом полностью
заполняет мгновенное поле зрения. Температура калиб-
ровочной плиты в этих условиях близка температуре в от-
секе космического объекта, т. е. при открытой установке
радиометра порядка 300—320° К.
В этих условиях температура калибровочной плиты
должна быть теоретически равна температуре корпуса
радиометра. Практически это не имеет места. Так, напри-
мер, на МАС «Маринер-П» только в течение первых 40 час
полета к планете Венера сохранялось равенство между
температурами корпуса и калибровочной плиты. В даль-
нейшем наблюдалось значительное расхождение по неиз-
вестным причинам. Проведенное эталонирование по ка-
либровочной плите при подлете к планете Венера пока-
106
зало,что за время крейсерского полета чувствительность
БАР уменьшилась на 30% по сравнению с чувствитель-
ностью, измеренной при лабораторной градуировке.
Сопоставляя величину сигнала на выходе радиометра
по калибровочной плите (температура плиты известна
для этого момента) с величиной выходного сигнала по
излучателю, с той же температурой при лабораторной
градуировке и той же температурой корпуса, можно по-
лучить поправку к градуировочному графику. Эту по-
правку приближенно можно распространить и на другие
случаи измерений до следующего эталонирования. Оче-
видно, что точность измерения температуры источника в
основном определяется точностью измерений температу-
ры калибровочной плиты. Так, например, обработка ин-
формации о температуре Венеры по данным радиометра
МАС «Марипер-П» привела к тому, что за счет неточного
измерения температуры калибровочной плиты погреш-
ность в измерении температуры планеты составила +10°.
Эта ошибка во много раз превосходит ошибку, возникаю-
щую в результате шумов ПЛЭ и электронного канала,
которая не превышает 2°.
Применение в качестве эталонного излучателя лампы
накаливания неудобно потому, что при использовании
э той-л а м пьГнео б ходим о в канале БАР менять фильт >ы на
кор отково дловые.
3.3. РАСЧЕТ НЕОБХОДИМОГО ОТНОШЕНИЯ
СИГНАЛ/ШУМ НА ВЫХОДЕ ЭЛЕКТРОННОГО КАНАЛА
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ БАР
Допуская, что ошибка в коэффициенте передачи пол-
ностью исключается градуировкой и эталонированием,
можно заданную допустимую величину максимальной
ошибки измерения яркости источника отнести почти пол-
ностью за счет случайной ошибки измерений. Если при
этом конструкция радиометра обеспечивает почти полное
исключение паразитного сигнала, то необходимое отноше-
ние сигнал/шум на выходе радиометра должно быть рас-
считано по следующему выражению:
шах \ ^гпах л,
; .- А/ '
где д47п.ах —ахмплитуда напряжения электрического сиг-
нала па выходе приемника лучистой энергии,
при максимальной яркости источника;
107
37<э| — пиковое значение шума приемника лучистой
энергии с учетом шума электронного канала
приведенного к его входу.
При расчете отношения сигнал/шум на выходе прием-
ника лучистой энергии по уравнению (3. 3) вероятность
того, что случайная ошибка в измерении яркости источ-
ника не выйдет из заданных пределов, будет больше 99%.
При таком расчете неизбежно увеличатся габариты и
масса радиометра по сравнению с обычно допустимыми
для бортовых радиометров космических аппаратов. Дей-
ствительно, увеличение отношения сигнал/шум можно
обеспечить переходом к более чувствительному при-
емнику лучистой энергии или увеличением потока от ис-
точника. При заданной яркости источника и заданном
мгновенном поле зрения радиометра увеличение потока
от источника на чувствительной площадке прием пика лу-
чистой энергии можно обеспечить увеличением диаметра
входного зрачка оптической системы. При предельно
допустимой величине относительного отверстия объектива,
обычно принимаемой в радиометрах .4=1, увеличение ди-
аметра объектива неизбежно приведет к увеличению его
фокусного расстояния. Увеличение диаметра и фокусного
расстояния объектива приведет к увеличению всех габа-
ритных размеров конструкции радиометра и увеличению
его веса. Исходя из этих соображений, обычно ограничи-
ваются расчетом необходимого отношения сигнал/шум на
выходе ПЛЭ по уравнению:
А Z .г «
шах °п;ах ,л ..
(З-4)
' И.1
т. е. отношение максимальной амплитуды сигнала от ис-
точника к среднему квадратическому значению шума при-
емника лучистой энергии должно быть больше обратной
величины максимально допустимой ошибки измерения
яркости, указанной в техническом задании па проектиро-
вание радиометра. Коэффициент 7% включают с обратным
знаком в коэффициент полезного действия радиометра
(см. гл. IV). При расчете отношения сигнал/шум па вы-
ходе ПЛЭ по выражению (3. 4) вероятность того, что
ошибка измерений не выйдет из допустимых пределов, бу-
дет 68%.
108
Глава IV
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ БОРТОВОГО
АВТОМАТИЧЕСКОГО РАДИОМЕТРА
4.1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
В процессе проектирования БАР проводят ряд расче-
тов, имеющих целью определить значения параметров
элементов разработанной принципиальной схемы радио-
метра. Весь комплекс этих расчетов может быть объеди-
нен под общим названием расчет радиометра.
В расчет радиометра входят:
1. Геометрический расчет оптической системы.
2. Расчет параметров сканирующего устройства.
3. Расчет точности измерения.
4. Энергетический расчет.
5. Аберрационный расчет.
6. Расчет элементов электронного канала.
Кроме этого проводятся другие расчеты, обыч-
ные для оптико-механических приборов, например, рас-
чет кинематической схемы всех узлов, связанных с пере-
дачей движения от двигателей, а также выбор типа дви-
гателей и их параметров. Все расчеты выполняются на
основании исходных данных, которые приводятся в техни-
ческом задании на разработку БАР.
Исходными данными являются: число спектральных
каналов; спектральные диапазоны каждого канала; мини-
мальное и максимальное значения яркости источника в
каждом спектральном канале; максимальная допустимая
ошибка измерения яркости источника в каждом спект-
ральном диапазоне; величина мгновенного поля зрения и
поля обзора радиометра; максимальное значение напря-
жения на выходе электронного канала VP и его форма.
109
Порядок выполнения расчетов определяется схемой
проектирования, установившейся для оптико-электронных
приборов. Учитывая габариты, задаются возможным диа-
метром объектива и величиной чувствительной площадки
ПЛЭ, после чего проводят габаритный расчет оптической
системы измерительного и опорного каналов. При этом
устанавливается величина относительного отверстия и
оценивается возможность проведения аберрационного
расчета оптической системы с необходимой разрешающей
способностью. После этого рассчитываются параметры
сканирующего устройства для сканирующих БАР, позво-
ляющие выбрать тип и схему электронного канала.
Располагая данными, полученными с помощью пред-
шествующих расчетов, проводят энергетический расчет
. радиометра. Цель энергетического расчета — установить,
насколько выбранные значения параметров при заданных
исходных данных могут обеспечить на выходе электронно-
го канала отношение сигнал/шум, которое вытекает из за-
данной точности измерения яркости источника.
В этой главе излагается только ^методика энергетичес-
кого расчета. Методики остальных расчетов излагаются
в курсах прикладной оптики и механики и в гл. I и III на-
стоящей книги.
* 4.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РАДИОМЕТРА
Будем рассматривать БАР как оптико-электронную
систему, т. е. как комплекс блоков, предназначенный для
обнаружения и измерения энергии, излучаемой заданным
источником. Для оценки оптико-электронной системы в
отношении соответствия техническому заданию на ее раз-
работку необходимо иметь характеристики для всей сис-
темы, связывающие ее выход со входом. В случае БАР
примем:
1. Пороговую облученность входного зрачка системы,
э к в и вале н т и у ю ш у м у.
2. Отношение сигнал/шум на выходе электронного
канала.
Эквивалентная шуму облученность входного зрачка
£пОр характеризует способность системы обнаружить
определенную облученность, создаваемую на ее входе,
обеспечивающую на выходе электронного канала отно-
шение сигнал/шум, равное единице. В зарубежной
литературе эквивалентную шуму облученность обычно
НО
[10] обозначают четырьмя буквами NEFD (Noise Equiva-
lent Flux Density). Будем называть ее просто пороговой
облученностью. Пороговая облученность определяется
параметрами ПЛЭ, оптической системы и электронной
схемы, образующих оптико-электронную систему, и может
быть записана в следующем виде:
р £п (Д -|>
£'п?р‘ л 1 О* п
где Фо—паспортный удельный порог чувствительности
ПЛЭ ят^см • г#1-*2);
<7ллэ-площадь чувствительной площадки ПЛЭ, с..н2;
Д/ш —шумовая полоса пропускания электронного ка-
нала, гц\
т-р — К П Д радиометра;
^—коэффициент использования ПЛЭ по черному
телу, температура которого имела место при
составлении паспорта ПЛЭ.
Здесь
со
Г Т (а) ф (X) d'K
„ б
I ~ -
f ? (X)
б
где ец — коэффициент использования ПЛЭ по черному
телу, температура которого равна температуре
источника, с учетом коэффициента пропускания
оптической системы:
со
f'pW4’WT0XrfX
б ал3фф
i о (л) dl [ (?J d\
6 б
5
где □ (X) = Ф (X)/Фгаах—относительная спектральная плот-
ность излучения черного тела;
Ф (А)=S (X)/S пах—относительная спектральная чувстви-
тельность плэ;
Тох—спектральный коэффициент пропус-
кания оптической системы радио-
метра;
1П
Л Хэфф —эффективная спектральная ширин-
полосы пропускания оптического
канала радиометра;
7И — площадь входного зрачка . радио-
метра, см2.
Выражение (4. 1) следует из определения порого-
вой облученности. Действительно, пороговая облучен-
ность есть отношение порогового потока на входном
зрачке оптической системы радиометра к площади
входного зрачка. Пороговый поток, падающий на вход-
ной зрачок и вызывающий па выходе ПЛЭ сигнал, ампли-
туда которого равна среднему квадратическому значению
амплитуды шума, есть не что иное как порог чувствитель-
ности ПЛЭ, приведенный к входному зрачку, т. е. разде-
ленный на коэффициент полезного действия радиометра.
Порог чувствительности ПЛЭ равен удельному порогу
чувствительности ПЛЭ, умноженному на корень квадрат-
ный из произведения площади ПЛЭ на шумовую полосу
пропускания электронного канала. Однако удельный по-
рог чувствительности ПЛЭ есть функция температуры
излучателя. Поэтому удельный порог чувствительности
ПЛЭ (паспортные данные) отличается от удельного по-
рога чувствительности по источнику, если температура
источника отличается от температуры излучателя, по ко-
торому определялся паспортный удельный порог чувстви-
тельности. Как известно [31], произведение порога чувст-
вительности приемника па коэффициент использования
приемника, определенных яри одной и той же температу-
ре излучателя, есть инвариант, независящий от измене-
ния температуры излучателя, т. с.
^ОТГ=Ц О'п»
и следовательно,
Ф Фл —
Г.ц О м >
Ен
при этом в учитывается коэффициент пропускания
оптической системы радиометра.
При составлении паспортных данных ПЛЭ па лабора-
торной установке отсутствует оптическая система. Коэф-
фициент использования ПЛЭ с учетом коэффициента про-
пускания оптической системы равен отношению эффек-
тивной спектральной ширины полосы пропускания опти-
ческого канала радиометра к площади кривой изотермы
Планка. ч- * я
112
Коэффициент полезного действия радиометра учиты-
вает ухудшение пороговой облученности за счет модуля- <
ции, увеличение шума ПЛЭ за счет шума электронного/
канала и несогласованности ПЛЭ с оптическим и элект-
ронным каналами:
- (4-2)
у 2"
где ^м=— 0,5 —коэффициент модуляции.
В БАР, когда сигнал модулируется с частотой,
более низкой, чем верхний предел частоты характеристи-
ки ПЛЭ, и прямоугольные импульсы от измеряемого ис-
точника сменяются прямоугольными же импульсами от
опорного излучателя, в качестве коэффициента модуля-
ции применяют коэффициент Фурье при среднем квадра-
тическом значении основной гармоники сигнала прямо-
угольной формы [10];
__ i
#£ = (1J-..C2) 2 —коэффициент, равный отношению сред-
него квадратического значения шума ПЛЭ к результи-
рующему среднему квадратическому значению шумов
ПЛЭ и электронного канала.
У /У
Здесь g=—r^L-,l
б'ш.ПЛЭ
— коэффициент, равный отношению среднего квад-
ратического значения шума ПЛЭ на частоте модуляции,
при которой составлялись паспортные данные ПЛЭ, к
среднему квадратическому значению шума ПЛЭ на ча-
стоте модуляции, принятой в радиометре, при полосе про-
пускания усилителя, равной 1 гц;
kd — коэффициент, учитывающий разницу в форме вы-
ходного зрачка оптической системы и площадки ПЛЭ.
Если площадка ПЛЭ больше площадки выходного
зрачка оптической системы, то ^=1.
Шумовую полосу пропускания электронного канала
рассчитывают следующим образом.
В БАР полоса пропускания регулярного сигнала опре-
деляется фильтром усилителя и фильтром низких частот
после детектора. При синхронном детектировании полоса
113
пропускания определяется в основном последетекторным
фильтром низких частот. Величина полосы пропускания
сигнала определяется выражением:
Aw—2 лд f = —
где тэл — продолжительность облучения ПЛЭ элементом
строки сканирования определяется по формуле
(1.34);
ke— коэффициент пропорциональности, обычно при-
нимаемый равным 1—4.
Шумовая полоса пропускания определяется по фор-
муле:
со
Да)ш = 2яа /ш == f Р («)) IК (< г/<0,
где Р(со) —относительная спектральная плотность шума;
/<(со)—частотная характеристика элемента элект-
ронного канала, определяющего полосу про-
пускания.
В случае синхронного детектирования, считая что по-
лоса пропускания определяется последетекторным филь-
тром.
со Д“ш = \ р1 о" 1 1 где тф= =- q ДЫф 2лД/ф (4-3) 1 + тф“ — постоянная времени последе-; текторного фильтра с поло- сой пропускания Д/ф.
При применении -в радиометре в качестве ПЛЭ боло-
метра. шум которого может считаться белым Р(со)--1,
со
А -С If Я. . .
“ J ш — о \ 1 । 2 г, — тг А Т ф •
2л .И + 2
о ф
(4. За)
Таким образом, при синхронном детектировании и
ПЛЭ с белым шумом шумовая полоса пропускания при-
мерно в полтора раза шире полосы пропускания сигнала.
Анализируя выражение (4.1), можно прийти к выводу,
что, если бы удалось сделать полосу пропускания элек-
тронного канала сколь угодно малой, то можно было бы
114
получить пороговую чувствительность радиометра сколь
сгодно высокой. Практически ширина пропускания огра-
ничивается точностью поддержания постоянства скорости
вращения модулирующего диска, качеством фильтра и
допустимой инерционностью электронного канала радио-
метра.
При применении механических модуляторов, вращаю-
щихся от двигателей, число оборотов которых стабилизи-
руется механическими или электрическими регуляторами,
в качестве современных электронных фильтров полоса
пропускания в БАР может быть порядка 3—4 гц.
При измерении яркости источника, которая может
сравнительно быстро изменяться во времени, полоса про-
пускания должна быть сделана достаточно широкой, что-
бы пропустить эти изменения. Обычно в этом случае ис-
ходят из требования, что нарастание сигнала до 0,95 от
установившегося значения происходит за три периода мо-
дуляции лучистого потока. Тогда постоянная времени
электронного канала должна быть равна периоду
модуляции Тм =-—=тэк. Следовательно, полоса пропус-
ки
кания электронного канала должна быть равна
, 1 / М , , /м
2лтзк 2п б
Отношение___сигпал/шум на выходе оптико-элект-
ронной системы устанавливает связь между облучен-
ностью входного зрачка источником и пороговой облучен-
ностью:
Вц(ОМГ Ец
ФуХ^ПЛЭ^/ш)
1
где рр=-у (k/i)2 —коэффициент пропор-
циональности;
—телесный угол мгновенного поля зрения
А радиометра (пространственный предел
разрешения), здесь /и’—фокусное рас-
стояние объектива радиометра;
£>и—диаметр объектива радиометра (диаметр
входного зрачка) .
115
Отношение сигнал/шум на выходе электронного кана-
ла узкопольного сканирующего радиометра, необходимое
для обеспечения заданной точности измерения яркости
источника, определяется на основании уравнения
Уравнение для энергетического расчета узкопольного
сканирующего радиометра или энергетическое уравнение
радиометра может быть представлено в следующем виде:
----------т—>1ло- 7 •< 04.6]
2
•2
Если ПЛЭ
вительностью,
обладает постоянной спектральной чувсб
и ,ф(л) = 1. В этом случае
max
ОС
f 9 (А) ТО>
б
оо
От (0'6.
б
Энергетический расчет БАР следует начинать с выбо-
ра типа и параметров ПЛЭ как центрального элемента
любой оптико-электронной системы. Причем выбирают
простой неиммерсионный и неохлажденный ПЛЭ, спек-
тральная характеристика которого соответствует за-
данному спектральному диапазону измерения. Только
если не удается при всех возможных вариантах парамет-
ров оптического и электронного каналов удовлетворить
энергетическому уравнению, следует переходить к более
сложному ПЛЭ. -~
Обычно из габаритных соображений и предваритель-
ных компоновок БАР устанавливают предельно возмож-
ный диаметр входного зрачка оптических каналов. Выби-
рают I ЛЭ (из освоенных) с возможно меньшей чувстви-
тельной площадкой. Ограничением в этом случае являют-
ся также габаритные размеры. При заданном угле поля
зрения, диаметре объектива и выбранной площадке ПЛЭ
(?плэ — о «г? лиг2) для узкопольного радиометра можно
ючитать
416
Таким образом, выбор диаметра объектива и площад-
ки ПЛЭ определяет величину относительного отверстия
объектива Л —-г- - Для возможности аберрационного
f и
расчета оптической системы радиометра с кружком рас-
сеяния для точки на оси системы d<0,2 мм необходимо,
чтобы Д<1. Величина относительного отверстия, получа-
емая в результате выбора диаметра объектива и площад-
ки ПЛЭ, является критерием .допустимости принятых
значений Пи и <?плэ « -••••
Подставляя выбранные значения параметров оптичес-
кого и электронного каналов радиометра вместе с исход-
ными данными в энергетическое уравнение (4.6), опре-
деляют приемлемость для проектируемого прибора. Та-
ким образом, энергетический расчет радиометра осущест-
вляется методом последовательного приближения.
Если выбранный вариант параметров не удовлетворя-
ет энергетическому уравнению, то необходимо изыскивать
меры к возможности увеличения габаритов БАР с тем,
чтобы увеличить диаметр входного зрачка, или перехо-
дить к ПЛЭ с более высоким порогом чувствительности.
Наиболее простым решением является применение им-
мерсионного ПЛЭ. В этом случае возможно повысить по-
рог чувствительности ПЛЭ за счет уменьшения размеров
его площадки, не изменяя величины диаметра диафрагмы
поля зрения. Особенно эффективным может быть иммер-
сионный ПЛЭ с германиевым полусферическим или ги-
перполусферическим конденсором (см. гл. I) при условии
освоения технологии нанесения чувствительного слоя при-
емника непосредственно на конденсор. При этом иммер
сия по своему эффекту значительно превосходит потери
потока в конденсоре.
При конструировании БАР следует стремиться обес-
печить возможно большую величину коэффициента про-
порциональности Ki и, следовательно, КПД радиометра.
Для этого желательно, чтобы
kia=ks=kd=L (4.8)
Из энергетического уравнения БАР следует, что повы-
шение пространственного предела разрешения радиомет-
ра, т. е. уменьшение его мгновенного поля зрения, может
быть достигнуто только за счет значительного увеличения
5 3009 117
габаритов и веса БАР или использования ПЛЭ значитель-
но более чувствительных, чем известные и освоенные в
настоящее время.
Пример энергетического расчета БАР
Проведем энергетический расчет одного спектрального канала
БАР с принципиальной схемой ИСЗ «Тирос-П» (см. рис. 1.11). Ис-
ходные данные для расчета возьмем следующими:
спектральный диапазон ДХ=5,7н-6,9 мкм;
минимальная яркость источника Bmm=10-3 вт/(см2 стерад);
максимальная яркость источника Втах=5 • Ю-5 вт/см2;
допустимая максимальная относительная ошибка измерения
яркости источника ДВ/Втах=5%;
угол мгновенного поля зрения 2f}Mr=5c'; со.мг—5- 10~2 стерад;
максимальное напряжение постоянного тока на выходе радиомет-
ра, допускаемое телеметрией Ур=6 в.
Предположим, что ошибка в измерении яркости определяется
только шумами ПЛЭ и предварительного усилителя. Тогда соглас-
но (4. 5)
Для первого варианта расчета выбираем неиммерсионный полу-
проводниковый болометр со следующими параметрами;
5tt=100 e/ет; Фо = 2‘1О-8 втЦсм гц'!2);
т ПЛЭ =10-3 сек-, ?плэ =1X1 лш2=0,01 см2.
Частоту модуляции обеспечим в конструкции БАР ту же, что и в
спутнике «Тирос-П»
/ы=44 гц
Соответственно, шумовую полосу пропускания берем Д/=9 гц.
Допустим также, что конструкция оптического и электронного ка-
налов обеспечивает выполнение условия (4. 8); болометр и оптичес-
кая система неселективны, т. е. £п~1 и i-n=Tii=const. При этих усло-
виях
/<i - y = y °’6'0’5 = °>23-
Коэффициент пропускания тц в заданном очень узком спектраль-
ном диапазоне ДХ=1,2 мкм можно считать независящим от длины
волны. Для двухлинзового объектива из германия с просветлением и
фильтра коэффициент пропускания ти=0,6. При данной конструкции
модулятора, дающего импульсы по форме, близкой к прямоугольной,
при малой скорости сканирования, обеспечивающей время наблюде-
ния одного элемента разложения поля обзора т0Л>3-Гплэ , коэфф51'
У 2 _ I
циент модуляции можно принять равным Ам— —— ~0,5. Относ
тельное отверстие объектива и диаметр объектива берем теми я<е’
что и в спутнике «Тирос-П» (А=1 и Z\=l,25 см).
118
Подставляем все выбранные значения параметров и исходные
данные в энергетическое уравнение (4. 6)
0,23-5-10—5-1,56-5 • 10“3 _
2- Ю-s (о ,01 -9)1/2 — 15 < — 20-
Следовательно, первый вариант не удовлетворяет энергетическому
уравнению.
Переходим ко второму варианту — иммерсионному полупровод-
никовому болометру с германиевым конденсором. Показатель прелом-
ления германия равен /гк=4 и, следовательно, при нанесении чувст-
вительного элемента болометра непосредственно на германий сторону
площадки ПЛЭ можно уменьшить в четыре раза:
<7ПЛЭ =0,025 - 0,025 лш2=6,25 -10~4 см2.
Коэффициент пропускания оптической системы, состоящей из гер-
маниевого двухлинзового объектива, германиевого конденсора иммер-
сионного болометра и полосового интерференционного фильтра
ти=0,4 (30),
я
7}р--=0,4'0,5 = 0,2 и —0,2 = 0,15,
0,15-5-10—5-1,56-5-10—3 _
2-10-8(6,25-10-4-9)1/2
Таким образом, переход к иммерсионному болометру обеспечи-
вает при выбранных параметрах оптического и электронного каналов
радиометра отношение сигнал/шум на выходе электронного канала
большее, чем необходимое для обеспечения заданной точности измере-
ния яркости источника.
Нельзя забывать (см. гл. III), что это справедливо только в том
случае, если с помощью градуировки и эталонирования систематичес-
кие ошибки измерения яркости сведены к практически пренебрежимо
малым величинам.
5*
Глава V
БОРТОВЫЕ ЩЕЛЕВЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ
ИНФРАКРАСНЫЕ СПЕКТРОРАДИОМЕТРЫ
5.1. ЗАДАЧИ СПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В КОСМОСЕ.
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЕ.
С ПЕКТРОРАД ИОМЕТР
При научных исследованиях космического пространст-
ва требуется решение ряда практических задач по измере-
нию не только интегрального излучения космических тел
Ч и излучения в узких спектральных диапазонах, но также
и измерению спектрального распределения энергии излу-
чения в широком диапазоне с пределом спектрального
£азрещ,сн1{я (шириной спектральных линий) порядка
0,1 — 1 мкм. Например, при метеорологических исследова-
ниях с ИСЗ измерение спектрального распределения энеи-
гии теплового излучения атмосферы и подстилающей по-
верхности Земли позволяет определить содержание водя-
ного пара и СО2 на разных высотах и установить темпера-
туру в различных слоях атмосферы [17]. Спектральные из-
мерения в космосе предъявляют к измерительной борто-
вой аппаратуре целый ряд требований, которые не позво-
ляют использовать для этой цели существующие спектро-
метры лабораторного типа. Основными из этих общих
требований являются:
1. Разложение интегрального излучения в средней я
далекой инфракрасной области спектра. Это связано с
измерением оченьуслабых сигналов и требует для их
приема высокой чувствительности. Если учесть, что труд-
ности, связанные с глубоким охлаждением ПЛЭ в космо-
се заставляют использовать в спектрометрах болометры
с той же чувствительностью, что и в радиометрах, то,
120
очевидно, что бортовые спектрометры должны обладать
BhjcQKoft _св ею с цдой.
2. Габариты бортового спектрометра должны допус-
кать его установку па борту космического аппарата.
3. Для решения некоторых задач необходимо одпо-
временное измерение интенсивности jib лучепия несколь-
ких_с.пектральных линий. Так, например, в слое атмосфе-'
ры от 1 до 500 мбар (от 50 до 5 необходимо измере-
ние уходящей инфракрасной радиации четырех спект-
ральных линий шириной по 5 ди-1 (0,1125 мкм) 15 микро-
метровой полосы поглощения углекислого газа.
4. Для исследования теплового баланса Земли необ-
ходимо получение спектра уходящего инфракрасного из-
лучения атмосферы и подстилающей поверхности в широ-
ком диапазоне длин волн от 7 до 38 мкм.
Очевидно, что решение этой задачи не может быть
обеспечено с помощью бортового радиометра с оптичес-
кими фильтрами. Для этого понадобилось бы иметь в ра-
диометре десятки спектральных каналов с разными
фильтрами. Для получения спектральной яркости излу-
чения атмосферы и подстилающей поверхности в широ-
ком спектральном диапазоне необходимо иметь мо-
нохроматор или квантометр, применяемые в лабора-
торных щелевых спектрометрах. В случае монохро-
матора интенсивность спектральных элементов регистри-
руется одним ПЛЭ за счет последовательного наложения
каждого спектрального элемента спектра на чувствитель-
ную площадку ПЛЭ, т. с. сканирование по спектру. В
квантометре применяется столько ПЛЭ, сколько измеря-
ется спектральных элементов спектра разложения интег-
рального излучения.
5. В бортовом космическом спектрометре необходимо
применять тот же метод модуляции, что и в радиометре,
метод модуляции «источник — опорный излучатель» или
«источник — космос», если в качестве опорного излучате-
ля используется излучение неосвещенной Солнцем части
космического пространства.
Спектральным элементом н аз ы в а ется । у ча сток z спектр а
минимальной спектральной ширины, разрешаемый спект-
рометром. В пределах спектрального элемента спектро-
метр усредняет спектральную яркость, т. е. спектральный
элемент является спектральным пределом разрешения
спектрометра.
121
Указанные выше соображения приводят к выводу, что
наиболее рациональным типом инфракрасной системы
для спектральных измерений со спутников Земли и меж-
планетных автоматических станций является система
оптико-электронных приборов, включающих оптическое
приемное устройство радиометра, в фокальной плоскости
которого вместо ПЛЭ должна располагаться входная
щель монохроматора или за каждой выходной щелью
кваптометра должен быть помещен свой ПЛЭ. Такого
типа инфракрасную систему будем называть «бортовой
автоматический инфракрасный спектрорадиометр». Блок-
схема БАС приведена на рис. 5.1.
Интегральный поток от исследуемого излучателя про-
ходит через оптическую систему измерительного канала /
и поступает на модулятор 4. Туда же попадает интеграль-
ный поток от опорного излучателя 2, прошедший через
оптическую систему опорного канала 3. Выходящий из
модулятора разностный поток, модулированный с часто-
той модуляции /м, облучает входную щель монохромато-
ра 5. В монохроматоре интегральный разностный поток
разлагается в спектр, состоящий из спектральных эле-
ментов. С помощью программного устройства 9 с приво-
дом 8 спектральные элементы попадают на выходную
щель монохроматора и расположенную за ней чувстви-
тельную площадку ПЛЭ 6. ПЛЭ превращает поток от
спектрального элемента в электрический сигнал, перемен-
ная составляющая которого проходит через электронный
канал 7. Электронный капал усиливает и преобразует
122
сигнал в величину постоянного тока, пропорциональную
величине переменной составляющей потока на его входе.
Выходной сигнал РСр поступает на телеметрическую пере-
дачу аналогично сигналу с выхода бортового радиомет-
ра. Блоки 1—4 образуют оптическое приемное устройстве
(ОПУ)' радиометра и к ним относится все вышесказанное
о бортовом автоматическом инфракрасном радиометре
(БАР). Электронный канал в спектрорадиометре также
аналогичен электронному каналу БАР со схемой с син-
хронным детектором. Частота модуляции и полоса про-
пускания электронного фильтра те же, что и в БАР.
Таким образом, основным отличием БАС от БАР являет-
ся наличие в БАС монохроматора или квантометра для
разложения интегрального излучения входной щели в
спектр.
5.2. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
МОНОХРОМАТОРОВ БАС
Принципиальная схема монохроматора включает
оптическую систему и диспергирующий элемент.
Назначение оптической системы монохроматора —
обеспечить возможность установки диспергирующего эле-
мента в параллельном ходе лучей. Необходимость уста-
новки диспергирующего элемента в параллельном ходе
лучей вызывается физическими свойствами типовых дис-
пергирующих элементов (призмы и дифракционной ре-
шетки), используемых в щелевых спектрометрах.
В бортовых щелевых спектрометрах в основном при-
меняются дифракционные решетки, обеспечивающие
большую светосилу и более широкий спектральный диа-
пазон.
Дифракционные решетки используют явление дифрак-
ции в параллельных лучах (Фраунгоферова дифракция).
В этом случае на решетку должны падать плоские волны.
Оптическая система монохроматора может быть лин-
зовой или зеркальной.
Схема линзового монохроматора приведена на
рис. 5. 2. Входная щель монохроматора S располагается
в фокальной плоскости объектива радиометра 1. Q — те-
лесный угол, под которым из центра объектива коллимато-
ра видна входная щель. Расходящийся от каждой точки
входной щели интегральный поток, пройдя через объек-
тив 2 коллиматора, преобразуется в параллельный поток.
облучающий диспергирующий элемент 3. Отраженный
диспергирую щим эл смептом_ интегральный поток превр а -
Дается~вуиоБ(жуП1<ость моноХртпищщ^кшспотоков. О&ъ-
ектив ? камеры фокусирует монохроматические потоки
спектра в фокальной плоскости, где расположена выход-
ная щель S' монохроматора. За выходной щелью распо-
лагается ПЛЭ 5. Для повышения чувствительности моно-
хроматора между выходной щелью и ПЛЭ располагают
Рис, 5.2. Оптическая схема линзового монохроматора
проекционную систему с линейным увеличением меньше
единицы. Проекционная система позволяет уменьшить
ширину изображения спектрального элемента и, следо-
вательно, использовать для преобразования световой
энергии в электрический сигнал ПЛЭ с меньшей площад-
кой. Целесообразнее всего в бортовых спектрометрах для
уменьшения габаритов использовать вместо проекцион-
ной системы конденсор иммерсионного ПЛЭ.
В монохроматорах БАС в качестве диспергирующего
элемента применяется отражательная дифракционная ре-
шетка—эшелстт. Основными недостатками линзового мо-
нохроматора для бортовых спектрометров являются его
большие габариты и необходимость применять для_о!щщ
чёскйх~Дста.Л^Й специальные, прозрачные в средней и
дальней ПК области спектра материалы. Оптическая
система монохроматора требует высокого качества кор-
рекции. Поскольку ширина спектрального элемента опре-
деляется размерами кружка рассеяния, необходимо, что-
бы его отношение к дифракционному кружку рассеяния
124
было как можно ближе к единице па протяжении всего
исследуемого спектра. Для этого применяются объективы
коллиматора с малым относительным отверстием, , В то
же время малая спектральная яркость линий, особеннсГв
далекой инфракрасной области, требует увеличения диа-
метра объектива коллиметра, и. следовательно, этот объ-
ектив должен быть длиннофокусным. Те же соображения
относятся и к объективу камеры. Поэтому получается
длиннофокусная оптическая система монохроматора, как
это обычно имеет место в лабораторных спектрометрах
с линзовыми монохроматорами. Зависимость пропускания
материала линз от длины волны приводит к необходи-
мости или ограничивать ширину спектра, или проводить
замену оптических деталей для исследования широких
спектральных диапазонов. Это не приемлемо по условиям
эксплуатации бортовых космических спектрометров. По-
этому линзовые монохроматоры редко применяются для
спектрорадиометров, устанавливаемых на борту ИСЗ и
МАС. Для этой цели значительно рациональнее приме-
нять зеркальный монохроматор как нормальной, так и
автокод л им аци онной схем ы.
Оптическая схема зеркального неавтоколлимационно-
го монохроматора представлена на рис. 5. 3 и 5. 4. В схе-
ме на рис. 5. 3 объективы коллиматора 2 и камеры 4 —
осевые параболоиды. На схеме 5.4 эти объективы — вне-
осевые параболоиды. Применение внеосевых параболои-
дов позволяет исключить вспомогательные плоские зер-
кала 6 и 7 в схеме с осевыми параболоидами.
Поэтому схема с внеосевыми параболоидами позволя-
ет сделать монохроматор более светосильным и с мень-
шим габаритом, чем схема на рис. 5. 3.
В зеркальном монохроматоре в качестве диспергирую-
щего элемента также применяется плоская отражатель-
ная решетка-эшелетт 3.
Основным преимуществом зеркального монохрома-
тора перед линзовым является возможность достижения
высокого качества коррекции аберрациГПпри сравпитель7
но малых габаритах^и. более высокрй-светосиле^ Кроме
того, зеркальная система позволяет обеспечить разложе-
ние в спектр в широкой дэбластщ ограничиваемой только
характеристиками дифракционной решетки. При этом
отсутствие хроматических аберраций и применение асфе-
рических поверхностей зеркал облегчает коррекцию опти-
125
ческой системы при значительно больших относительных
отверстиях, чем в линзовом монохроматоре.
На рис. 5. 5 представлена автоколлимационпая опти:
ческая схема зеркального монохроматора. Расходящийся
поток от каждой точки входной щели S проходит через
отверстие в центре плоского зеркала 4 и падает на объ-
ектив (осевой параболоид) 2. Объектив 2 установлен в
фокусе относительно входной щели, и поэтому расходя-
щийся поток от входной щели превращается в параллель-
Рис. 5.4. Оптическая схема
зеркального монохроматора
с внеосевыми параболоида-
ми
Рис. 5.3. Оптическая схема зер-
кального монохроматора с осе-
выми параболоидами
ный поток, падающий на отражающий слой плоского зер-
кала 4. Отразившись от зеркала 4, параллельный интег-
ральный поток разлагается отражательной дифракцион-
ной решеткой 3 на монохроматические параллельные по-
токи, которые возвращаются обратно на зеркало 4 и объ-
ектив 2 фокусирует монохроматические потоки на выход-
ной щели S' с помощью вспомогательного маленького
плоского зеркала 6, перехватывающего большую часть
потока, прошедшего через отверстие в зеркале 4 на об-
ратном пути от объектива 2. Недостатком такой системы
является то, что параллельный интегральный поток, отра-
женный зеркалом 2, засвечивает выходную щель и умень-
шает контрастность спектрального элемента по сравне-
нию с фоном. Для уменьшения этого явления перед зер-
126
калом 2 устанавливается бленда 5, центрированная отно-
сительно оптической оси объектива, с диаметром, равным
проекции диаметра отверстия зеркала 4 на плоскость
Рис. 5.5. Оптическая схема ав-
токоллимационного монохрома-
тора (схема Пфунда)
нормальную к оптической оси. Автоколлимационная схе-
ма позволяет сократить число сложных параболических
объективов до одного, б котором совмещены функции
объективов камеры и коллиматора.
5.3. ДИФРАКЦИОННАЯ ОТРАЖАТЕЛЬНАЯ ПЛОСКАЯ
РЕШЕТКА. ЭШЕЛЕТТ И ЕГО ПРЕИМУЩЕСТВА ДЛЯ БАС.
ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭШЕЛЕТТА
И СПЕКТРОРАДИОМЕТРА
Теория дифракционной решетки [29, 18, 9] как диспер-
гирующего элемента спектральных приборов излагается
в курсах общей и прикладной физикщ. Поэтому в этом
разделе приводятся только те сведения о дифракцион-
ных решетках, которые необходимы для конструирования
и расчета спектрорадиометра.
Поскольку в космических спектрорадиометрах целесо-
образно применять зеркальную оптическую систему, то
в качестве диспергирующего элемента применяется плос-
кая отражательная дифракционная решетка. Обычная
отражательная решетка с прямоугольным профилем ка-
навок (штрихов) не пригодна для работы в средней и да-
лекой инфракрасной области спектра. Такая решетка кон-
центрирует большую часть энергии отраженных пучков
при малых углах дифракции, т. е. в нулевом и частично
в первом порядке спектра. При этом для решеток с ма-
лым числом штрихов на мм, применяемых в средней и да-
127
лекой ИК области, максимум концентрации энергии почти
весь лежит в нулевом порядке спектра. Как известно, в
нулевом порядке спектра дифракционная решетка не дает
спектра, так как направление на главный максимум для
всех длин воли в нулевом порядке одинаково (угол диф-
ракции равен нулю). Поэтому светосила_спектрометра
с дифракционной решеткой щ прямоугольнымпрофилем
штриха не может обеспечить необходимой светосилы в
Рис. '5. &. Схема профиля
эшелетт а
спектрометрах для приема
слабых сигналов. Разра-
ботка инфракрасных щеле-
вых дифракционных спек-
трометров стала возможной
только с появлением спе-
циальной отражательной
решетки (эшелетт), имею-
щей штрихи ступенчатого
профиля (рис. 5.6).
Благодаря этому эшелетт
сосредоточивает основную
часть отраженной энергии в относительно узком интерва-
ле углов дифракции, центр которого лежит в направле-
нии зеркального отражения от пологой грани штриха.
Угол наклона этой грани к поверхности решетки (поверх-
ность решетки на рис. 5. 6 показана пунктиром) а носит
название угла блеска. На рис. 5.7 — 5.9 представ-
лено распределение интенсивности по углам дифракции
Ф для прозрачной решетки (плоские канавки) и двух от-
ражающих решеток с прямоугольной формой канавки и
со ступенчатой. Кривые на рисунках построены для раз-
ных длин волн по отношению к постоянной решеток х0.
1) л — л0, 2) X—х0/1,5: 3) Х"л:0/2,4; 4) a=x0/4.
аким образом, для решетки Az = 25 • 103 штр[мкм} т.
с постоянной Хо= —
е.
40 мкм кривые 1, 2, 3 и 4 отвечают
длинам воли 40 мкм, 26 мкм, 20 мкм и 10 мкм.
Как видно из рисунков, самое неблагоприятное распре-
деление энергии имеет место у прозрачной решетки с
плоскими канавками. Для эшелстта распределение то
же, что и для прозрачной решетки, по смещенное на угол
дифракции, равный удвоенному углу блеска, т. с. кон-
128
цептрация энергии сосредоточена в направлении, опреде-
ляемом конструктивной характеристикой эшелетта —
углом блеска. При этом концентрация энергии в заданном
порядке и при заданной длине волны достигается за счет
уменьшения практически до нуля энергии в направлении
пулевого порядка.
Рис. 5.7. Распределение интенсивности по углам диф-
ракции для прозрачной дифракционной решетки
Основное уравнение эшелетта то же, что и для отра-
жательной дифракционной решетки
sin I -1-sin ф = тЛ'л, (5. 1)
где лу— постоянная решетки, лог — реьиетхи ,
Д/—число штрихов на миллиметр поверхности ре-
шетки;
. т I .
Л—-— шгрмм\
/—угол падения луча;
Р — угол дифракции;
т —порядок спектра;
л —длина волны,
При м е ч а в и с. Если длина волпьгтзыражается в мкм, то
г* —Д,
129
и число штрихов следует брать не па лыс, а на мкм, т. е.
ЛНО-3 штр/мкм.
Закон отражения луча от пологой грани эшеллста,
выраженный через угол блеска, углы падения I и дифрак-
ции ф, можно записать в виде
Рис. 5.8. Распределение интенсивности по углам дифракции для ре-
шетки с прямоугольным профилем штриха
При этом считается, что углы, отсчитанные от норма-
ли к решетке jVp по часовой стрелке, положительны, а
против — отрицательны. Подставляя значение ср, найден-
ное из (5.2), в основное уравнение эшелетта (5.1), после
простых преобразований найдем длину волны, попадаю-
щую в максимум концентрации
z^=='^TsinacosT==)'oCOST’ (5‘3)
130
где у—-угол между направлениями падающего и
дифрагированного пучка;
а0 sln а — длина волны в максимуме концентрации при
mN
автоколлимационной установке решетки, т. е.
когда<р=/ —аи у=0 (си. рис. 5.5 и 5.10),
Рис. 5.9. Распределение интенсивности по углам дифракции для эше-
летта
Из уравнения (5. 3) видно, что с увеличением угла у
максимум концентрации смещается в сторону более ко-
ротких длин волн.
Отражательная дифракционная решетка и, в частности,
эшелетт обладает определенным КПД (т]0ш). КПД учи-
тывает потери энергии при отражении падающего пучка
лучей от решетки, как от зеркала, и влияние штрихов эше-
летта, рассеивающих энергию монохроматических пучков.
Поэтому общий КПД эшелетта определяется произведе-
нием двух коэффициентов
*Пэш СэшКи ('->•4)
где рэш — коэффициент зеркального отражения, обычно
рассчитываемый для длины волны максимума
концентрации энергии эшелеттом. Для решеток
131
с алюминиевым покрытием принимают рэш=
= 0,5—0,6;
ки — коэффициент относительной интенсивности,
учитывающий относительное распределение ин-
тенсивности (лучистой энергии)', отраженной
эшелеттом, по длинам волн. Это распределение
следует закону Планка. Коэффициент относи-
тельной интенсивности решетки определяется
по формуле.
где -----аргумент в формуле для коэффи-
х ' циента относительной интенсивно-
сти эшелетта.
Здесь х~—?—.
Эш
лмк
Значение кц—1 принимается для длины волны макси-
мума концентрации энергии хХ
Поскольку
Рис. 5.10. Схема установ-
ки эшелетта в автоколли-
мационном монохромато-
ре
эшелетт дает пространственное распреде-
ление спектральных линий (по
углам дифракции) относительно
направления на максимум кон-
р центрации для регистрации ин-
тенсивности спектральных линий
хщ помощью одноплощадочного
ПЛЭ, необходимо сканирование
по спектру. Сканирование, по
спектру может быть осуществле-
но поворотом эшелетта вокруг
оси, параллельной штрихам. Оче-
видно, что в положении, отвечаю-
щем максимуму концентрации,
эшелетт должен быть установлен
под углом падения, равным углу
блеска (при
ной установке). В соответствии
с основным уравнением эшелетта углы поворота эше-
летта при сканировании по спектру пропорциональны
длинам волн, т. е. при небольших углах сканирования 0.
автоколлимацион-
О —0,5 • 10~3/нА5, (5,6)
где X — в мкм.
132
В табл. 5. 1 приведены значения коэффициента отно-
сительной интенсивности кн, вычисленные по формуле
(5. 5).
Таблица 5.1
Значения функции
/ 1 \
где х — л/п 1 — — ,
\ Л' /
X
\ ЭШ
Лмк
X мк 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1.0 1,1 1,2 1,3
ки X 17-10-9 0,17 0,52 0,81 0,96 1 ,о 0,97 0,91 0,8
х = у эш Лмк 1.4 1,5 1,6 1J 1-8 1,9 2,0 2,1 2,2
«и X ) ЭШ А мк Ки 0,76 2,3 0,3 0,68 2,4 0,28 0,61 2,5 0,25 0,55 0,5 0,45 0,41 0,37 0,3
П р и меча и и е. X® * — длина волны, на которой имеет место
максимум концентрации потока, отраженного дифракционной решет-
кой-эшелеттом.
Как видно из таблицы, с изменением длины волны па-
дающего на эшелетт излучения по сравнению с длиной
волны максимума концентрации величина коэффициента
относительной интенсивности уменьшается. Поэтому с
одним эшелеттом с определенным углом блеска можно
обеспечить только ограниченный спектральный диапазон.
Обычно в качестве такого диапазона принимают мини-
X
мальное и максимальное значения аргумента ,
Лмк
которым отвечают кл>0,5.
Этому требованию в табл. 5. 1 соответствуют значения
х = 0,7~1,8. Поэтому эшелетт с длиной волны максимума
концентрации 10 мкм может обеспечить измерения в
спектральном диапазоне от 7 до 18 мкм\ при этОхМ для
всех длин волн в пределах этого спектрального диапазо-
на ки>0,5. Чтобы обеспечить измерения в более широком
133
спектральном диапазоне, надо создавать в БАС второй
спектральный канал с другим эшелеттом. Обычно из-за
второго эшелетта для более длинноволнового спектраль-
ного диапазона принимают длину волны максимума кон-
центрации в два раза более длинную, чем для первого
диапазона. Так, например, для спектрального диапазона
от 7 до 36 мкм принимают во втором спектральном кана-
ле длину волны максимума концентрации 20 мкм. Тогда
эшелетт с углом блеска, рассчитанным для длины волны
максимума концентрации 20 мкм, обеспечит длины волн
/ от 14 до 36 мкм с ки>0,5.
Пригодность эшелетта для монохроматора данной
конструкции определяется оптическими характеристика-
ми эшелетта.
К числу оптических характеристик эшелетта относят-
ся: угловая дисперсия; линейная дисперсия, разрешаю-
щая способность. Угловая дисперсия — это изменение
угла дифракции при изменении длины волны па 1 мкм.
Выражение для угловой дисперсии может быть получено
дифференцированием по длине волны основного уравне-
ния эшелетта (5. 1), при этом считаем угол падения по-
стоянным: А. г/ , И? ( /
dl
mN • lQ~3cos у"1
(5.7)
Линейная дисперсия есть4 Линейное расстояние между
серединами спектральных элементов спектра, соответст-
вующее изменению длины волны на 1 мкм. Очевидно, что
линейная дисперсия равна угловой дисперсии, умножен-
ной на фокусное расстояние объектива камеры монохро-
матора:
= 10-3/.4S,cos?-r
мм
_мкм
д\
Разрешающая способность эшелетта определяется
отношением длины волны к спектральному пределу раз-
решения или волнового числа к спектральному пределу
разрешения в волновых числах:
г) - _ ____с
— у.' л
GA о<3
1
Х2
где о- — волновое число.
134
Спектральный предел разрешения б/v или да есть ми-
нимальное расстояние^ длинах волн пли волновых чис-
лах между серединами двух соседних Спектральных ^эле-
ментов^ регистрируемых раздельно на выходе БАС. Со-
гласно принципу Рслея считается условно, что эшелетт
может в пределе разрешать две спектральные .соседние
линии спектра, если максимум интенсивности первой ли-
нии приходится над первым дифракционным минимумом
второй спектральной линии. Очевидно, что в этом случае
расстояние между серединами этих спектральных линий
будет равно радиусу кружка дифракционного рассеяния.
Угловой размер радиуса кружка дифракционного рас-
сеяния
|=(//2/KM=X/Zs-,
где £эш — размер поверхности эшелетта в направлении,
перпендикулярном штрихам, если угол падения z=0, а
d— диаметр кружка рассеяния.
Согласно принципу Релея изменение угла дифрак-
ции Дф, отвечающее пределу спектрального разрешения,
принимается условно равным угловому размеру радиусу
кружка дифракционного рассеяния, т. е.
д9=9=Х/2.эш.
Следовательно, спектральный предел разрешения будет
равен
§/. = -^-=—------!—при cos<p=l (5.10)
д<? L,w zwAMO^31 1 v к
dl
» Яэш = — = . 10-з=/ИЛ',1Ш, (о. 11)
ол.
где Nsm^N Лэш — полное число штрихов на поверхности
ди фра кцпопной реш стки.
Таким образом, разрешающая способность решетки
равна произведению порядка спектра на число штрихов
решетки. В инфракрасной спектрометрии используются
только первый и второй порядки спектра, т. е. т=1 или
tn—2. И
В инфракрасных спектрометрах, работающих в сред-
ней и далекой инфракрасной области спектра, следует
Увеличивать размеры заштрихованной площади эшелетта
135
для увеличения светосилы. Число штр!мм берется сравни-
тельно малым (12 или 24), так как разрешение спектро-
метра ограничивается размерами входной щели независи-
мо от разрешения дифракционной решетки.
Оптические характеристики спектрорадиометра
Оптическими характеристиками спектрорадиометра
являются: спектральный предел разрешения, разрешаю-
щая способность и светосила. Спектральный предел раз-
решения спектрометра отличается от спектрального пре-
дела разрешения дифракционной решетки, так как
влияют параметры конструкции прибора: ширина щели,
величина кружка рассеяния в фокальной плоскости объ-
ектива камеры и размер чувствительной площадки ПЛЭ.
Если бы эти характеристики монохроматора были
идеальными, например, бесконечно узкая входная щель,
то разрешающая способность спектрометра могла бы
быть близка к разрешающей способности дифракцион-
ной решетки. Разрешающую способность спектрометра в
этом случае называют «теоретической разрешающей
способностью» и обозначают
Эффективная разрешающая способность спектрометра
отличается от теоретической разрешающей способности
вследствие конечных размеров входной щели, кружка рас-
сеяния и площадки ПЛЭ.
Площадь входной щели дщ=а.‘Ь определяется задан-
ным полем зрения и фокусным расстоянием объектива ра-
диометра. Здесь а и b—ширина и длина входной щели
монохроматора, измеренные в направлении дисперсии и в
направлении, перпендикулярном направлению дисперсии.
—фокусное расстояние объектива радиометра. 2рш и
2рд—плоские углы поля зрения спектрорадиометра в на-
правлении ширины и длины щели.
Размеры выходной щели в фокальной плоскости каме-
ры монохроматора определяются размерами входной ще-
ли и отношением фокусных расстояний объективов каме-
ры и коллиматора, поскольку между этими объективами
лучи идут параллельными пучками. Таким образом,
/кл fкл
где а' и Ь'— изображения сторон входной щели в фокаль-
ной плоскости объектива камеры. Очевидно, что при
136
отсутствии конденсора стороны ПЛЭ должны быть не
меньше, чем стороны выходной щели для того, чтобы вся
энергия, принятая объективом радиометра, была бы ис-
пользована спектрорадиометром. Для уменьшения разме-
ров чувствительной площадки ПЛЭ при заданных разме-
рах выходной щели следует применять иммерсионный
ПЛЭ или специальную проекционную систему, распола-
гая ее между выходной щелью и ПЛЭ. Такая система
обычно применяется в лабораторных спектрометрах. Она
обладает для спектрорадиометра тем недостатком, что
сравнительно небольшой выигрыш в чувствительности
ПЛЭ за счет уменьшения размеров его стороны погло-
щается увеличением потерь энергии при прохождении
лучей через конденсор. Кроме того, такая проекционная
система увеличивает габариты спектрорадиометра.
Ширина выходной щели определяет геометрическую
ширину спектрального элемента, получаемого в данном
монохроматоре. Распределение энергии в пределах шири-
ны спектрального элемента определяется дифракционной
кривой с максимумом в середине спектрального элемента,
г. е. в середине выходной щели.
Поэтому для того, чтобы реализовать эффективный
предел спектрального разрешения, необходимо, чтобы ли-
нейная дисперсия монохроматора удовлетворяла условию
д I л f д I 'к t / 1 о \
-Чфф = « или - —=а . (о. 12)
Следовательно, эффективный спектральный предел
разрешения спектрорадиометра в мкм определяется вы-
ражением
а’ со* У |0з
mN Лм
(5. 13)
Светосила спектрорадиометра — это отношение потока
на чувствительной площадке ПЛЭ к яркости исследуемо-
го источника излучения, т. е.
f = фплэ. 0Q
^Ср р 1»
где Сср —светосила спектрорадиометра;
(5.14)
137
£ — телесный угол, под которым видна входная щель
из центра объектива коллиматора;
С\ш —площадь дифракционной решетки (заштрихован-
ная);
Т1ср— КПД спектрорадиометра;
--Сэш — геометрический фактор.
Можно вывести из выражения (5. 14) зависимость све-
тосилы от разрешающей способности спектрорадиометра.
Действительно, телесный угол, под которым видна щель 2
из центра объектива коллиматора, Q равен
а £ , fv г fv
о—__________-=28 * 23 —
/м /КЛ ‘ШЛл ,Д/кл’
Угловой размер выходной щели с вершиной угла в центре
объектива камеры
Q' = 28'2₽'=— — = —Д-=2, (5.15)
1 Ш 1 д г f -f ' '
J KM J KM J КЛ J КЛ z
так как а' = а и b' ~b
fКЛ fКЛ
НО
= 5ХЭфф = тЛ"8Чфф = ^Л' — »
^эфф
X
Подставляя (5. 15) в (5. 14), получим
СсР/?эФф='Пс₽тЛ72р;Сэш=соп81> (5.16)
т. е. произведение светосилы на разрешающую способ-
ность является постоянной величиной для спектрорадио-
метра данной конструкции при данной длине волны.
Как это следует из выражения (5.16), в спектрорадио-
метрах, предназначенных для работы в средней и далекой
инфракрасной области спектра, т. е. по весьма слабым
сигналам, для того, чтобы дать возможность иметь доста-
точную светосилу, эффективная разрешающая способ-
ность не должна быть высокой. Так, например, в спсктро-
радиометре для ИСЗ «Космос-45» разрешающая способ-
ность в нервом спектральном канале от 7 до 18 мкм, /?Эфф=
= 5-ь16, во втором спектральном канале от 14 до 38 мкм,
/?эфф = 54-18. При этом эффективные пределы спектраль-
138
иого разрешения в первом канале больше 1 мкм и во вто-
ром больше 2 мкм.
При узком после зрения, применяемом в щелевом
спектрорадиометре необходима сканирующая система,
позволяющая просматривать узким мгновенным полем
зрения более широкое поле обзора. В этом случае ско-
рость сканирования по спектру должна быть так согласо-
вана со скоростью пространственного сканирования, что-
бы за время наблюдения мгновенным полем зрения одно-
го элемента разложения поля обзора регистрировались
все линии спектра в заданном спектральном диапазоне.
В качестве примера типовой конструктивной схемы
БАС приводится описание устройства инфракрасного
спектрорадиометра, установленного на ИСЗ «Космос-45»
[20].
Инфракрасный щелевой, дифракционный
спектрорадиометр для ИСЗ «Космос-45»
В сборнике трудов всесоюзной конференции по иссле-
дованию космического пространства эта оптико-электрон-
ная система названа спектрофотометром. Но поскольку
данная система предназначена для измерений спектров в
диапазоне средних и далеких инфракрасных волн ее пра-
вильнее называть спектрорадиометром. Спектрорадно-
метр, описываемый ниже, был установлен и испытан на
спутнике «Космос-45» для измерения спектров теплового
излучения Земли.
Оптическая схема спектрорадиометра приведена на
рис. 5.11. Защитное входное окно 8, изготовленное из
кристалла KRS-5, герметизирует весь объем спектрора-
диометра. Это окно расположено под углом 45° к направ-
лению на источник. Лучи от опорного излучателя (косми-
ческого пространства) проходят через тот же участок по-
верхности защитного окна под Гуглом 90° к направлению
лучей от источника. Такое положение облегчает выравни-
вание измерительного и опорного каналов. Оптическая
система радиометра состоит из двух внеосевых парабо-
лоидов / и 2, расположенных навстречу друг другу. В фо-
кальных плоскостях объективов расположены входные
щели монохроматоров 3 и 3'. Между объективами распо-
ложен четырхлопастный зеркальный модулятор 7. Лопас-
ти модулятора представляют золоченые двухсторонние
зеркала. Лучи от источника и опорного излучателя, прой-
139
дя защитное окно, фокусируются объективами на вход-
ных щелях монохроматоров. При этом в зависимости от
положения лопастей модулятора каждая щель попере-
менно со сдвигом по фазе на 180° облучается то источ-
ником то опорным излучателем. Следовательно, на вы-
ходе приемников теплового излучения 10 и 10' возникают
Рис. 5.11. Оптическая схема
спектрорадиометра для ИСЗ
«Космос-45»:
/, 2—зеркальный объектив (внеосе-
вые параболоиды); 3. У—входные
щели монохроматоров; 4, <Г—колли-
маторы; 5, 5'—эшелетгы: б, б'—ка-
меры; /--зеркальный модулятор;
8—входное окно; О—пластина из
сурьмянистого индия; 10, 10'—боло-
метры
электрические сигналы, амплитуда которых пропорцио-
нальна разности тепловых потоков от источника и опор-
ного излучателя. Эта же схема радиометра с двумя объ-
ективами и модулятором создаст два спектральных кана-
ла спектрорадиометра.
Каждый из двух монохроматоров выполнен по типо-
вой схеме зеркального монохроматора. Объективы колли-
маторов 4 и 4' и объективы камер 6 и 6' —внеосевые па-
раболоиды. Между объектива ми коллиматоров и камер
расположены под углом 45° дифракционные отражающие
решетки-эшелетты 5 и 5'. В первом спектральном канале
(монохроматор с объективами 4 и 6) установлен свето-
140
фильтр из сурьмянистого индия, отсекающий длины воли
короче 7 мкм. Во втором спектральном канале (монохро-
матор с. объективами 4' и 6') фильтра ног, но объектив
коллиматора 4' выполнен без отражающего покрытия из
кристалла фтористого лития. Кристалл фтористого лития
нс отражает излучения короче 14лкл, но хорошо отража-
ет излучение во всем диапазоне от 14 до 38 мкм.
Рис. 5.12. Кинематическая схема механизмов сканирования
в БАС ИСЗ «Космос-45»
Объективы камер 6 и 6' фокусируют излучение на чув-
ствительных площадках болометров 10 и 10'.
Разложенные по спектру монохроматорами потоки из-
лучения одновременно облучают площадки болометров
таким образом, что, если на приемник первого спектраль-
ного диапазона попадает излучение от исследуемой по-
верхности, то на приемник второго спектрального диапа-
зона — излучение, от опорного излучателя, и наоборот.
Кинематическая схема спектрорадиометра приведена на
рис. 5. 12. Кроме привода модулятора схема содержит
Ива кулачковых привода. Привод сканирования по спект-
ру за счет поворота дифракционных решеток вокруг осей,
параллельных их штрихам. Этот привод состоит из двига-
теля 5 и двух кулачков 4 и 4'. Привод сканирования по-
лем зрения (пространственное сканирование) состоит из
141
мотора 6, вращающего через передачу кулачок 3 и с по.
мощью рычага 7, поворачивающего объективы радиомет-
pa 1 и 2 вокруг оси, соединяющей вершины параболоидов.
Мгновенное поле зрения спектрорадиометра
«>»г=2?щ23л = ^- Ъ = 1°4б'х 2'20'.
/р /р
Поле обзора в направлении, перпендикулярном плос-
кости орбиты спутника, в котором производится разло-
жение интегрального излучения по спектру, 2робз=^
= ±8°30'. Характеристики спектрорадиометра приведены
ниже. Электронный канал спектрорадиометра аналогичен
электронному каналу радиометра с синхронным детекти-
рованием (см. гл. II).
ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЕКТРОРАДИОМЕТРА ДЛЯ ИСЗ
«КОСМОС-45»
Диспергируюший элемент— эш е летт
первый канал .........................
второй канал ....................
максимум концентрации энергии
первый канал......................
второй канал .....................
порядок дифракции
первый канал .......................
второй капал .....................
Предел спектрального разрешения
первый канал ...........................
Сп^О
второй канал .......................
Спектральное разрешение:
первый канал...........................
второй канал ....................
Мгновенное поле зрения................
Телесный угол поля зрения ............
Участок поверхности Земли, охватываемый
полем зрения с высоты 250 км . . . .
А7"] = 24 штр!мм
А7 п = 12 /
Чк1 = 10 мкм
— 1
т.ц 1
ЬХ( — 1,2 лглгл? для
X = 7 мкм
SA} = 1 ,1 МКМ ДЛЯ
Х=18 „
6Х j । == 2,8 , для
А = 14 „
ип--=2,1 5 для
X — 36 .
/?1 == 5 4- 16
23ш =Г46; %=2°20'
toMr= 12-10—4 стерев
7,5-10 км2
142
Площадь пркемнйка лучистой энергии (тер-
мисторный болометр) ...................
Частота модуляции .....................
Объектив радиометра....................
Коллиматор ............................
Камера ..........................
1 ММ2
27 ги,
Dp~27,5 мм;
fp~55 мм; :0,5
£>кл=22,5 мм;
/кл~4о мм; Л=1 : 0,5
£>кы—20 мм;
/км=20 мм; Л=1 :1
5.4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СПЕКТРОРАДИОМЕТРА
При энергетическом расчете спектрорадиометра про-
веряют, обеспечивают ли выбранные параметры элемен-
тов принципиальной схемы отношение сигпал/шум на вы-
ходе электронного канала, соответствующее заданной
точности измерения спектральной яркости источника.
Следующие технические исходные данные для расче-
та БАС должны быть указаны в техническом задании
на его разработку.
1. Телесный угол мгновенного поля зрения и его сос-
тавляющие в плоскости дисперсии и ей перпендикуляр-
ной (D мг — 2 р д.
2. Поле обозора в плоскости дисперсии — 2|3Обз-
3. Число спектральных каналов и их диапазоны.
4. Спектральный предел разрешения 6Х и эффективное
разрешение R для длин воли каждого из спектральных
каналов.
5. Температура и коэффициент излучения источника
6. В отличие от БАР оптический капал БАС представ-
ляет более сложную систему, в которой ПЛЭ расположен
не в фокальной плоскости объектива радиометра, а за
выходной щелью монохроматора. Поэтому для того, чтобы
возможно большая часть энергии, принятой радиометром,
могла достичь ПЛЭ, необходимо, чтобы оптическая систе-
ма радиометр — монохроматор представляла световую
трубку [23].
Следовательно, вдоль всей этой системы должен со-
храняться инвариант Штраубеля:
Vp=“X=“?A=“°X (5.17)
143
где г(рис. 5.13):
телесный угол поля зрения радиометра БАС;
<7р—площадь входного зрачка объектива радио-
метра;
=-~2—апертура ооъектива радиометра (телесный угол)
Л’ в пространстве изображений;
<71Ц—площадь входной щели монохроматора;
Рис. 5.13. Обобщенная принципиальная схема ОПУ
спектрорадиометра
= 4г1—апертура объектива коллиматора в простран-
ен л стве объектов;
—апертура объектива камеры в пространстве
f км изображений;
<7w~ площадь входной щели;
Из выражения (5.17) следует, что
где Ар, Акл —относительные отверстия объективов радио-
метра и коллиматора.
Таким образом, рациональная конструкция БАС дол-
жна обеспечивать равенство относительного отверстия
монохроматора в пространстве предметов (входной ще-
ли) относительному отверстию радиометра в пространст-
ве изображений (входной щели). Относительное отвер-
стие объектива коллиматора в монохроматорах лабора-
торных спектрометров делается не более, чем 0,25. Это
позволяет повысить качество коррекции оптической сис-
темы и обеспечить ширину изображения спектральных
линий в соответствии с требованиями высокого эффектив-
ного разрешения. В спектрорадиометрах для ИСЗ и МАС,
144
работающих в средней и далекой инфракрасной области
дектра, стремление повысить светосилу заставляет огра-
ничиваться сравнительно невысоким разрешением, поряд-
ка меньше чем 100. Поэтому в монохроматорах БАС от-
носительное отверстие объективов радиометра и коллима-
тора монохроматора берется А =0,5. Диаметр входного
зрачка объектива радиометра БАС следует выбирать мак-
симальным, допускаемым габаритными соображениями.
Для повышения чувствительности и уменьшения габа-
ритов БАС целесообразно фокусное расстояние объектива
камеры делать в два раза меньше, чем фокусное расстоя-
ние объектива коллиматора, а относительное отверстие
объектива камеры увеличивать до Акм=1 в соответствии
с инвариантом Штраубеля.
Диаметр входного зрачка и относительное отверстие
объектива радиометра определяют его фокусное расстоя-
ние и площадь входной щели монохроматора.
Принимая относительное отверстие объектива колли-
матора равным относительному отверстию объектива ра-
диометра, выбирают диаметр и фокусное расстояние объ-
ектива коллиматора, руководствуясь тем, что относитель-
ное отверстие объектива камеры нс может быть больше
единицы. Кроме того, габариты монохроматора должны
быть м и ним а л ьным и.
Размеры сторон выходной щели и размеры сторон
Л ЛЭ определяются из выражений:
®ПЛЭ = ^ ^плэ=^ =0,5^,
/к л
, , n COS (i 4- tt)
У величение эшелетта Г =---------— принимается рав-
cos (т — а)
<ым единице. Это обеспечивает при всех значениях углов
. ср, а выполнение условия <7плэ>*?щ и> следовательно,
коэффициент £д=1.
Площадь заштрихованной поверхности эшелетта вы-
бирается на основании габаритного расчета оптической
истемы монохроматора. Площадь эшелетта должна быть
•ольше площади объектива коллиматора с тем, чтобы
щелетт перехватил косые пучки лучей от крайних точек
JX одной щели.
145
Энергетическое уравнение БАС имеет следующий вцд
—у
ф°(^плэ^ш)
где /<2 = -^-гср=Л_ тиЛмтмн^..рэш—коэффициент' пропор.
4 4 циональпости;
ти — коэффициент пропускания оптиче-
ской системы радиометра;
тмн — коэффициент пропускания оптиче-
ской системы монохроматора;
&и—коэффициент относительной интен-
сивности эшелетта, определяемый
выражением (5.5);
бэш—коэффициент зеркального отраже-
ния эшелетта;
^—коэффициент модуляции.
При этом считаем, что конструкция БАС обеспечивает
условие klu = kg=k(i= 1. Частота модуляции и полоса про-
пускания электронного капала выбираются так же. как и
в БАР (см. гл. IV). Отношение сигнал/шум рассчитывает-
ся на основании требований к точности измерения спект-
ральной яркости и температуры источника по методике,
приведенной в гл III.
Расчет угла блеска эшелетта монохроматора прово-
дится для выбранной длины волны максимума концент-
рации по уравнению (5.3). При этом число штр!мм
эшелетта определяется из уравнения (5. 13):
a' cos <р1000
(5. 19'1
Пример. Проведем энергетический расчет спсктрорадиометрэ
(принципиальная схема приведена на рис. 5. 11) со следующими ис-
ходными данными.
Температура источника 223° К, коэффициент излучения а=1.
Мгновенное поле зрения 2рт = 1°46/ и 2|Ч=2°20/.
Мгновенный телесный угол поля зрения ом-=1,2 - 10~3 стерад.
Один спектральный канал AZ—7-=-18 мкм.
Спектральный предел разрешения 6А.Офф=1 мкм; /?Эфф=7А-18.
АВ
Точность измерения яркости спектральной линии — = 10%.
т. е. отношение сигнал/шум на выходе электронного канала р0>Ю-
146
В качестве ПЛЭ выбираем неиммерспонный полупроводниковый
болометр с параметрами.
1_
?пчэ~ $o = 2-10~9 вт'^мм—^-гц 2 ;
т = 10—3 сел:; Dp —27,5 л/Ар=0,5.
Частоту модуляции выбираем с таким расчетом, чтобы порог
чувствительности ПЛЭ незначительно снижался из-за его инерционно-
сти— /м=30 гц.
Полосу пропускания электронного канала берем
м , . fK 30 _
V Д/ =------ й -- — О,
2л 6
~ гц*
При этом считаем, что ИК спсктрорадиометрэ включает синхрон-
ный детектор и фильтр низких частот после детектора. Рассчитаем
спектральную яркость источника и 1\ПД спектрорадиометра. Источник
представляет собой абсолютно черный излучатель. Поэтому расчет
спектральной яркости излучения линии с шириной, равной спектраль-
ному пределу разрешения при заданной температуре источника, про-
водим с помощью таблицы функции Z(x) (см. приложение). Расчет
проводим для наиболее короткой длины волны заданного спектраль-
ного диапазона, так как при этой длине волны яркость спектральной
линии с шириной, равной пределу спектрального разрешения, будет
минимальной:
А1+ЬХзфф\ / Xi \
AZ = Z(x2)-Z(x1) = Z —------I-Z —1-
х лмк / \ лмк )
^МК —
2896 2896
- = ' =; 13 мкм\ Х1==7 мкм\ оХзфф =± 1 мкм\
1 ц ZZO
AZ =
= Z(0,61) - Z (0,54) « 0,0357 -
- 0,0171 0,02;
а л
b-ft'k—^Z—7* = 0,02-1,8.10-12.2234^9-105 вт'см^ стерад.
JT
Допускаем, что как и при энергетическом расчете БАР (см.
гл. IV), конструкция оптического и электронного каналов БАС обес-
печивает условие: тогда КПД спектрорадиометра бу-
дет равен:
"Gcp —
На основании оптической схемы БАС, приведенной на рис. 5. 11, коэф-
фициент пропускания оптической системы радиометра определяется
произведением коэффициентов пропускания защитного окна из крис-
талла A7?S-5 и коэффициента отражения внеосевого параболоида. До-
пустим, что отражающее покрытие параболоида — золото, тогда ти—
=0,6 • 0,97^0,6. Поскольку конструкция модулятора аналогична при-
147
шятой в схемах БАР (см. гл. I), принимаем Лм=0,5. Коэффициент
Пропускания оптической системы монохроматора определяется коэф.
фицнентами отражения объективов коллиматора и камеры, внеосевых
параболоидов с золоченым покрытием и коэффициентом пропускания
фильтра перед ПЛЭ:
т мн — 6кл(?кьАф “0,97•0,97•0,7 - 0,47.
Коэффициент зеркального отражения эшелетта примем рэш—0,6.
Длину волны максимума концентрации эшелетта примем а®к =10 мкм
я Ак—0,5 для Х1=7 мкм (см. табл. 5. 1), тогда
^ср = 0,6-0,5-0,47-0,6-0,5 ~ 0,05,
А5> = — 0,05 ^0,04,
4
0,04-9-10-5-2,752-1,2-Ю-з .
---------!----— —Д-----------—------»----— — О ,5 < ил.
1 L ' 4
«о(?плэА/и.)2 2-10-8(0,01-9)2
Таким образом, так же как и в случае энергетического расчета
БАР при выбранных параметрах принципиальной схемы и полупро-
водниковом болометре не удастся удовлетворить энергетическому
уравнению при заданной точности измерения яркости спектральной
линии.
Если заменить болометр иммерсионным с площадкой
0,005 0,005 см2, то при тех же остальных параметрах спектрорадио-
метра необходимое отношение сигпал/шум на выходе электронного
канала будет обеспечено.
Расчет параметров эшелетта
Длина волны максимума концентрации выбирается из условия,
чтобы коэффициент относительной интенсивности при крайних значе-
ниях длин волн заданного спектрального диапазона £и=0,5, Для ди-
апазона 7—18 мкм этому требованию отвечает (см. табл. 5.1) Х=
= 10 мкм. Число штр/мм эшелетта определится по уравнению (5. 19):
при условии т=\ и 6лЭфф = 1 мкм
а'1000 0,8-0,7-1000
N = ----г----- cos <р = --—----= 28 штр:млг,
/км 20
/кл 45
а = /Р23щ = 55-30-Ю-з ~ 1 j мм.
Из характеристик спектрорадиометра имеем
2рш = 1°46' = 30-Ю-з рад,
/кл = 45 мм, /км = 20 мм, /р = 55 мм.
Угол дифракции <р в нервом приближении может быть определен
из следующих соображений. Согласно принципиальной схеме спектро-
радиометра (см. рис. 5. 11) при угле блеска, равном нулю, 7=ф--=45°
148
При угле блеска, большем нуля, ср=45°—а. Учитывая, что углы бле-
ска в эшелетта* для спектрорадиометров не велики и что cos изме-
няется медленно в районе 45° с изменением угла, принимаем для рас-
чета числа штр/мм cos <p=cos 45° 0,7. Порядок дифракции
во всех расчетах принимаем равным единице, т=\. Выбираем окон-
чательно эшелетт по нормали на-эшелетты с числом штрихов, наибо-
лее близким к полученному по формуле (5.19). Таким эшелеттом
являетез! эшелетт с 77=24 штр}мм.
Угол блеска определится по уравнению (5. 3), при этом угол меж-
ду падающим и дифрагмированными лучами у—t-i ср=90°, тогда
1 /тгАЧО-ЗХ^
• Мл
sin а -- -— -————
2 т
cos —
2
а — 10°.
24-10-3.10
2-0,7 =0’1/2;
6 3009
Глава VI
БОРТОВЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ
ФУРЬЕ-СПЕКТРОРАДИОМЕТРЫ
6.1. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ СПЕКТРОМЕТРИЯ И ЕЕ
ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО
ПРОСТРАНСТВА
Интерференционным спектрометром называется такой
спектрометр, в котором в качестве монохроматора исполь-
зуется интерферометр. Интерференционный спектрометр
отличается от щелевого по самому принципу разделения
интегрального потока, принимаемого от исследуемого ис-
точника, на спектральные элементы. В щелевом спектро-
метре диспергирующий элемент монохроматора осуществ-
ляет пространственное разделение монохроматических
потоков. В результате получается спектр, в котором от-
дельные спектральные элементы пространственно разде-
лены. При этом ширина спектральных элементов зависит
от ширины входной щели, а спектрограмма получается
в результате последовательного облучения ПЛЭ регист-
рируемыми спектральными элементами.
В интерференционном спектрометре разделение интег-
рального потока на монохроматические осуществляется
с помощью модуляции по длинам воли методом_селектив-
ней^адшлитудиой йли_частотной модуляции интегрально.^
го потока- Как следствие в интерференционном спектро-
метре отсутствуют и щели и диспергирующие элементы —
призмы или дифракционные решетки. Совершенно оче-
видно, что вследствие этого интерференционный спектро-
метр обладает значительно более высокой светосилой по
С* травлению со щелевым дифракционным спектрометром.
Вместо щели в интерференционном спектрометре может
150
быть использована обычная круглая диафрагма, причем
апертурный телесный угол, под которым видна эта диаф-
рагма из центра объектива коллиматора, может быть на
порядок больше, чем в дифракционном спектрометре.
Кроме того, благодаря отсутствию дифракционной решет-
ки и интерференции в противофазе пучков, не участвую-
щих в образовании спектра, КПД интерференционного
спектрометра значительно выше, чем у дифракционного. >
В результате светосила интерференционного спектро- /
метра может быть в 100—200 раз выше, чем у дифракци-
онного. Большая светосила при той же чувствительности
ПЛЭ позволяет резко увеличить пороговую чувствитель-
ность спектрометра и получать спектры в средней и дале-
кой инфракрасной области при меньших габаритах и мас-
се прибора. Это делает интерференционный спектрометр
исключительно целесообразным для измерений в космосе
с борта ИСЗ и МАС больших протяженных излучателей
в инфракрасном диапазоне спектра. Например, собствен-
ное излучение поверхности планет и их атмосферы. Ин-
терференционный спектрорадиометр будет иметь по
еж
сравнению с дифракционным спектрорадиомстром при-
мерно одинаковую величину фокусного расстояния объек-
тива радиометра. Поэтому при значительно большем ди-
аметре диафрагмы по сравнению с шириной щели поле
зрения радиометра^будет зпачительпо больше, чем у диф-
ракционного спектрорадиометра. Так, поле зрения в ин-лС.Л
терференционном спектрорадиометрс, установленном на
борту американского ИСЗ [36]. равно 15°, в то время как
у дифракционных спектрорадиометров оно не превышает
в плоскости дисперсии 1,5°. Однако при исследованиях
спектров, излучаемых узкими полосами поверхности пла-
неты, более выгодно применять дифракционные спектро-
радиометры. Поэтому обычно па борту метеорологичес-
ких спутников Земли устанавливают наряду с интерфе-
ренционными и дифракционные спектрорадиометры.
Наиболее рациональным типом интерференционного
спектрорадиометра для исследований космического прост-
ранства является спектрорадиометр, в котором в качест-
ве монохроматора используется .що^учевощщинтерферо-
метр Майкельсопа. При этом разделение интегрального
потока на спектральные линии основано на методе селек-
тивной частотной модуляции. Такого.типа интерференци-
онные спектрометры известны в спектрометрии под назва-
6*
151
пнем «фурье-спектрометры». Спектрорадиометр для ис-
следований космического пространства, включающий
интерферометр Майкельсона, можно назвать- «интерфе-
ренционный фурье-спектрорадиометр». Для сокращения
обозначим этот прибор индексом «ФСп».
В ФСп в результате непрерывного изменения по ли-
нейному заколу в функции времени разности хода между
двумя интерферирующими когерентными лучами на вы-
ходе ПЛЭ возникает сложный электрический сигнал.
Частоты изменения напряжения составляющих этого
сложного сигнала прямо пропорциональны частотам
электромагнитных колебаний составляющих интегрально-
го потока, поступающего па вход интерферометра. Поэто-
му, записав на магнитную ленту сложный электрический
сигнал па выходе электронного канала ФСп, можно по-
следующей обработкой этой ленты с помощью электрон-
ных узкополосных фильтров или методами вычисления па
электронной вычислительной машине получить спектро-
грамму.
ФСп исключает основной недостаток дифракционного
спектрорадиометра — низкую светосилу и позволяет кон-
структивную разработку прибора в значительно меньшем
габарите и массе при всех прочих характеристиках, не
уступающих щелевому прибору. Поэтому ФСп имеет все
основания быть основным спектральным прибором для
регистрации спектров собственного излучения поверхнос-
тей планет и их атмосфер в средней и далекой инфракрас-
ной области.
6.2. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ФСп
Принципиальная схема ФСп приведена па рис. 6. 1.
Схема включает: объектив 1, диафрагму 2, объектив кол-
лиматора 3, двухлучевой интерферометр Майкельсона 5,
объектив камеры С приемник лучистой энергии 7, усили-
тель переменного тока 8, синхронный детектор 9, фильтр
низких частот /0, регистрирующее устройство 11 (в боль-
шинстве случаев магнитофон). Основной деталью в ин-
терферометре Майкельсона является светодслительная
плоскопараллельная пластинка Пь Поверхность пластин-
ки, обращенная к объективу коллиматора, покрыта тон-
ким слоем, отражающим и пропускающим лучи АВ и АС
одинаковой интенсивности. Лучи АВ и АС отражаются
152
зеркалами 3( и 32 обратно в светоделительную пластинку
rij. Здесь оба луча снова делятся каждый на две состав-
ляющие, из которых две образуют луч бь который фоку-
сируется объективом камеры 6 па чувствительной пло-
Рис. 6. 1. Принципиальная схема ФСп
щадке приемника лучистой энергии 7. Две другие состав-
ляющие лучей АВ и АС образуют луч б2, возвращающий-
ся к источник}'’ излучения.
Луч АС пересекает пластинку П] три раза, в то время
как луч АВ пересекает ее только один раз, поэтому для
исключения возникающей разности хода между лучами
АВ и АС, между зеркалом 3i и пластинкой 1Д установле-
на
на компенсирующая пластинка П2 той же толщины, что
и пластинка ГЪ.
Обе оптические волны, выходящие из интерферометра
по направлению к приемнику лучистой энергии, нормалью
к поверхности которых является луч di, представляют со-
бою расчлененную волну, выходящую из источника, об-
лучающего интерферометр, поэтому они когерентны и
могут интерферироватьл.руг с другом. Результат интер-
ференции будет зависеть от разности хода между обеими
волнами, достигающими ПЛЭ. Разность хода в свою оче-
редь определяется рассеянием от пластинки П1 до зеркал
3] и 32. Если расстояния АВ и АС равны между собой, то
обе волны, распространяющиеся в направлении ПЛЭ,
будут в одной фазе. Волны, распространяющиеся в на-
правлении луча 62, будут при этом в противофазе и по-
гасят друг друга. В результате вся энергия (за исключе-
нием потерь на поглощение), приходящая па вход интер-
ферометра, сохранится на его выходе. Зеркало 32 может
перемещаться параллельно самому себе в некоторых пре-
делах; перемещение зеркала 32 очевидно будет приводить
к изменению разности хода Л от нуля до Д мкм.
Интерференционная картина, наблюдаемая в интер-
ферометре Майкельсона, аналогична наблюдаемой в
плоскопараллельной воздушной пластинке, образованной
зеркалом 32 и мнимым изображением 3j зеркала 3j в
пластинке ГЬ (па рис. 6. 1 воздушная пластинка 3]—32).
Выведем зависимость изменения потока на выходе
интерферометра от разности хода для монохроматическо-
го излучения с длиной волны К и волновым числом
1
<5=--.
X
Пусть две когерентных волны Si и S2 исходят из ис-
точников Интерференционная картина наблюдается в
точке М (рис. 6. 2). Обе волны в точке А! имеют одинако-
вую амплитуду электромагнитных колебаний а. Тогда
колебания в точке М, вызванные первой и второй волна-
ми, выразятся, если начальная разность фаз между обои-
ми источниками равна нулю, в виде
5 —асоя2л (——
k Т X /
S2=£cos2jt (—---
2 к т X )
154
где di и d2— расстояния от источников волн до точки Л4
соответственно;
t — текущее время;
Т — период колебаний.
В точке М оба колебания дадут результирующее ко-
лебание:
Рис. 6.2. К выводу уравнения (6.4)
Колебание в точке М имеет амплитуду и интенсивность
пропорциональные
2а cos лод,
4а2 cos2 лад. (6.2)
Как следует из выражения (6.2), величины амплитуды
и интенсивности результирующего колебания будут опре-
деляться разностью фаз Аф обеих волн в точке М, зави-
сящей в свою очередь от разности хода А. Разность фаз
Аф равна
До = 2л —= 2лад. (6.3)
Очевидно интерференционный максимум будет иметь
155
место, когда Л равна четному числу полуволн или целому
числу волн (А=
В интерферометре Майкельсона это будет иметь место
при смещении подвижного зеркала 32 на четное число
четвертей волны:
т=0, 2, 4, 6; 1,2,3.
Если излучение источника, облучающего интерферо-
метр, монохроматично с волновым числом ст, и яркость ис-
точника равна В (ст) при А = 0, то выходящий из интер-
ферометра поток Ф в случае параллельных лучей равен
в соответствии с (6. 2)
Ф=Сфс5 (a) COS2 Лад =— Сфс [£> (а) -ф В (а) COS 2лоД]. (6.4)
2
Таким образом, в случае монохроматического излуча-
теля поток, облучающий ПЛЭ, состоит из постоянной и
переменной составляющих. При этОхМ переменная состав-
ляющая функционально зависит от разности хода двух
лучей, образующих выходной луч сп (см. рис. 6.1). С$с —
светосила спектрометра, зависящая от его конструктив-
ных данных, и равна
^фс ^фс 3$3’
где Q3 —пространственный угловой размер диафрагмы 2
из центра объектива коллиматора 3;
S3— площадь зеркала 31 и 32.
Если излучение источника не монохроматическое, и
яркость в области (а, равна В (и) и Bdo, то каж-
дый спектральный интервал дает добавку к переменному
потоку
г/Ф = J- С^В (о) cos 2л<зд da.
2
Полный поток па выходе интерферометра при этом
будет равен
оо
Ф = фо + ф ( Д ) =ф Сфе ( В (о)
Jw (J
(6.5)
156
Второй интеграл представляет собой преобразование
Фурье для спектрального распределения В (о) в источни-
ке излучения по косинусу (Ф(Д)—четная функция).
Поскольку преобразование Фурье обратимо, можно
найти яркость источника В (о) из переменной со-
ставляющей потока Ф(Д):
В(о) = 2 (д) cos 2лсд т/д.
о
(6.6)
Смещение подвижного зеркала в интерферометре кон-
структивно ограничено, и разность хода не может превы-
шать некоторую максимальную величину Дмк. Поэтому
интерферометрическая функция Ф(Д) равна нулю для
значений Д>ДМК. Кроме того, для четной функции
Ф(—-Д) = Ф(Д). Поэтому пределы интегрирования в вы-
ражении (6. 6) должны быть ограничены от 0 до Дмк.
Если подвижное зеркало ФСп смещать с постоянной
скоростью п/2, то разность хода между двумя интерфери-
рующими лучами будет изменяться по линейному закону
в функции времени: Д = и/, где t — текущее время от на-
чала движения зеркала. При этом каждая монохромати-
ческая составляющая пемонохр ом этического потока Ф(Д)
будет изменяться во времени согласно уравнениям:
г/Ф =—СфсВ (о) cos 2?mtf do;
2
и
ф(д)=Ф(®/) = -Ьсфс
£
В (о) cos ZM'ctdo*
(6.7)
где di—(j2 — заданный спектральный диапазон.
Следовательно, переменная во времени составляющая
выходного потока, облучающего ПЛЭ, представляет сум-
му монохроматических потоков.
Частоты изменения величины этих потоков пропорци-
ональны их волновым числам и частотам электромагнит-
ных колебаний:
г, х V с
/(о)='оо = —v; v=— =СО,
С А
где с=3* 1010 см!сек.
(6.8)
157
После усиления и детектирования импульсы напряже-
ния с выхода ПЛЭ поступают в регистрирующее устрой-
ство, где записываются на магнитной ленте, образуя ин-
терферограмму. Интерферограмма представляет зависи-
мость (непрерывную кривую или ряд дискретных значе-
ний цифр) амплитуды сложного электрического сигнала
па выходе электронного канала от разности хода:
V (д) - /<у5иФ (д) = Ky.S{i® W, (6.9)
где Su-—вольтовая чувствительность ПЛЭ,
Ду — коэффициент усиления усилителя переменного
тока.
Постоянная составляющая выходного напряжения,
равная С7о=5пФо, не пропускается усилителем.
Интерферограмма с борта ИСЗ передается с помощью
телеметрии на командно-приемную станцию на Земле.
Обрабатывая информацию на Земле, получают на основе
интерферограммы спектрограммы.
Спектрограмма “‘представляет зависимость между
спектральной яркостью исследуемого источника и волно-
вым числом или длиной волны.
При получении спектрограммы выполняют преобразо-
вания Фурье согласно выражению (6. 6). Это преобразо-
вание может быть выполнено различными методами. Наи-
более точным методом является вычисление с помощью
электронно-вычислительной машины ординат спектро-
граммы на основе измеренных по интерферограмме орди-
нат кривой, полученной с борта ИСЗ.
Более простым методом, не требующим применения
сложного оборудования при обработке информации, но и
более приближенным по точности, чем вычисление с по-
мощью ЭВМ, является применение для выполнения пре-
образования Фурье узкополосных электронных фильтров.
С помощью устройства воспроизведения записи на маг-
нитной лепте электрические сигналы, соответствующие
интерферограмме, подаются на систему избирательных
электронных фильтров. Число фильтров и их ширина
пропускания должны соответствовать числу и ширине ре-
гистрируемых спектральных линий. Вместо системы
фильтров можно применить и один фильтр, медленно пе-
рестраивающийся во времени. Напряжения электрических
сигналов на выходе фильтров будут пропорциональны
спектральным яркостям источника в заданном и зарегист-
рированном спектрорадиометром диапазоне.
158
Таким образом, у ФСп больше светосила и, следова-
тельно, пороговая чувствительность и поэтому меньше га-
бариты и масса прибора, устанавливаемого па борту
космического аппарата, по он требует более сложного
процесса и оборудования для получения спектрограммы
на Земле, чем щелевой дифракционный спектрорадиометр.
6.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО ФСп
Основными оптическими характеристиками ФСп, так
же как и щелевого дифракционного спектрометра, явля-
ются разрешающая способность и светосила. В интерфе-
ренционном спектрометре отсутствует диспергирующий
элемент, который вместе со щелью ограничивает разре-
шение и светосилу прибора. Поэтому для оценки оптичес-
ких характеристик ФСп следует исходить из более общих
для всех спектральных аппаратов соображений. Во всех
спектральных аппаратах теоретическая разрешающая
способностью определяется максимальной разностью
хода между двумя интерферирующими лучами, т. е.
Ф
»дмк. 46.10)
где Амк —максимальная разность хода;
6а0=-Ф2—теоретический предел спектрального разреше-
72 ния.
В ФСп разность хода между двумя интерферирующи-
ми пучками определяется тем же выражением, что и в
случае плоскопараллельной пластинки с показателем пре-
ломления /г=1:
Д~2/Псоз/,
где Ai — толщина воздушной пластинки, образованной
подвижным зеркалом 32 и изображением непод-
вижного зеркала 31, или разность расстояний
между центром светоделительной пластинки и
зеркалами 31 и 32;
1— угол падения лучей на поверхность зеркал.
Теоретическое разрешение Rq соответствует идеально-
му спектрометру, т. е. прибору, обладающему идеальны-
ми конструктивными параметрами и идеальным качест-
вом изготовления, например, бесконечно малый диаметр
159
диафрагмы 2 (см. рис. 6.1), совершенно точные оптичес-
кие поверхности зеркал и их параллельность, коэффици-
енты отражения зеркал рз—1. В этом случае будет иметь
место нормальное падение лучей на зеркала, и, следова-
тельно, разность хода интерферирующих лучей в идеаль-
ной ФСп определяется только разностью расстояний до
зеркал или толщиной воздушной плоскопараллельной
пластинки (cos Z = 1).
Предел спектрального разрешения определяется ши-
риной инструментальной функции спектрометра. Инстру-
ментальная функция представляет регистрационную кри-
вую, полученную на выходе спектрометра при облучении
его входа строго монохроматическим источником излуче-
ния. Инструментальная функция учитывает уширение
исследуемой спектральной линии как следствие принци-
пиальных, конструктивных и производственных искаже-
ний, вносимых прибором. Поэтому инструментальную
функцию называют также аппаратурной или аппаратной
функцией.
Допустим, что полная энергетическая яркость лучисто-
оо
го потока j* В (о) ch сосредоточена в бесконечно узком
о
(нулевом) интервале, т. е. В (о) — б (а—о0), где 6 есть
дельта-функция или функция Дирака, и сто — волновое
число, соответствующее исследуемой спектральной
линии.
Изображение этой линии в приборе будет растянуто
на некоторый малый интервал волновых чисел в соответ-
ствии с инструментальной, или аппаратной функцией
Г(о-оо).
Если на прибор попадает излучение со спектральной
яркостью В (ст), то прибор даст изображение со спект-
ральной яркостью В'(о)', которое отличается от дей-
ствительного спектра:
Д'(о)=[1Г(3-в0)£(о)йГо. (6.12)
О
Выражение (6. 12) есть свертка функции источника с
инструментальной функцией спектрометра. Это может
быть сокращенно записано в виде
ВДо) = ВМи7(а). (6. 13)
По мере того как ширина аппаратной функции стано-
160
вится все меньше и меньше по сравнению с шириной ли-
нии истинного спектра источника, выражение (6. 13) все
точнее будет отображать истинное распределение В (о).
Соотношение между пределом спектрального разре-
шения и шириной аппаратной функции зависит от приня-
того критерия для оценки разрешения, формы аппаратной
функции и определения понятия ее ширины.
Аппаратная функция, отвечающая теоретическому
разрешению, должна учитывать уширение спектральной
линии исследуемого источника только за счет принципи-
альных физических явлений, свойственных идеально
сконструированному и изготовленному прибору.
В ФСп с интерферометром Майкельсона основ-
ным физическим явлением, уширяющим изображение
спектральной линии источника, является дифракция лу-
чей на оправах зеркал. Поэтому аппаратной функ-
цией ФСп может быть дифракционная кривая. В этом
случае теоретический предел спектрального разреше-
ния боо принимают равным расстоянию от максимума
до первого минимума дифракционной кривой.
Аналитическим выражением аппаратной функции в этом
случае оудет кривая вида: ——, где х=2л(с —сг0) дмк.
Однако такой вид аппаратной функции не удобен, так
как дифракционная кривая имеет заметные вторичные
максимумы и отрицательные значения амплитуд. Поэто-
му в качестве инструментальной функции ФСп, определя-
ющей теоретический предел спектрального разрешения,
принимают функцию следующего вида:
sin л (g — од) Дмк 2 14)
я(о —с0)ДМк
На рис. (6. 3) изображены дифракционная кривая а и
кривая, отвечающая уравнению (6.14). Эта кривая 6
представляет собой ту же дифракционную кривую, но без
вторичных максимумов и отрицательных ординат. Если
принять в качестве спектрального разрешения ширину
аппаратной функции от максимума до первого нуля, то
Г(с-з0) =
Г(а-50)=0
при 8з0=(а-о0)=-3—
и, следовательно, /?0=одмк= —.
х
(6. 15)
161
Если принять в качестве аппаратной функции дифрак-
ционную кривую (кривая а на рис. 6. 3), то
1 . U 2Лмк
°--О А * ) *
2ДМК !-
05
Переход от дифракционной кривой к аппаратной
функции (6. 14) проводится при обработке интерферо-
граммы перед преобразованием Фурье для получения
спектрограммы. Величины ординат, измеряемые на интер-
Рис. 6.3. График аппаратурной функции
фурье-спсктрорадиометра
ферограмме, умножаются па коэффициенты, вычисляемые
с помощью выражения
А_,
Дмк
где /((А)—косит название функции апподизации.
Для исследования влияния отклонений в величине ха-
рактеристик и параметров реальной конструкции от тео-
ретических пользуются так называемыми элементарными
аппаратными функциями. Элементарной инструменталь-
ной или аппаратной функцией называют аппаратную
функцию при условии, когда все характеристики и пара-
метры спектрометра являются идеальными, кроме иссле-
дуемого, кроме того, отсутствуют такие физические явле-
ния как дифракция, поглощение и т. д. Окончательная
реальная аппаратная функция представляет собой сверт-
162
ку элементарных аппаратных функций, учитывающих
влияние всех источников уширения изображения спект-
ральной линии. Используем этот прием для определения
влияния конечных размеров диафрагмы 2 (см. рис. 6. I)
и площадки ПЛЭ на ограничение разрешения ФСп.
В этом случае разность хода при одной и той же тол-
щине воздушной пластинки 1п будет различной для лучей,
падающих под разными углами па поверхность зеркал
31 Зз- Этот факт может быть охарактеризован функцией
распределения интенсивности F(cos i). Вид функции F за-
висит от конструкции диафрагмы 2. Для диафрагмы с
круглым отверстием, обычно применяемой в ФСп, функ-
ция распределения F является прямоугольной. Середина
этой функции будет соответствовать лучу, проходящему
через центр отверстия диафрагмы под углом Z —О и
cos i= 1. Поэтому полуширина функции /(cost) будет
б cos Z=cos I —1.
Элементарная аппаратная функция, учитывающая
влияние конечных размеров диаорагмы, может быть по-
лучена из функции распределения при замене cos/ па
—по. Это преобразование выполняется с помощью
соотношений
так как угол Z — мал.
Здесь А’ — порядок спектра, получаемого в результате ин-
терференции двух лучей в интерферометре Май-
кельсоиа.
о Q
Но (1—cosz) = —, поэтому За=о —а0=а0-~,атаккак
2л 2л
—, то
ба
— 2 л,
(6. 16)
где Q — угловой размер отверстия диафрагмы, под кото-
рым опа видна из центра объектива коллимато-
ра.
163
1 • Т- .' L'
Как видно из выражения (6. 16), увеличение углового
размера диафрагмы уменьшает теоретическую разрешаю-
щую способность спектрометра. Если провести такое же
исследование влияния на ограничение разрешения ФСп
непараллельное™ зеркал 31 и 32 как за счет неточности
изготовления и юстировки зеркал, так и за счет наруше-
ний этой параллельности при перемещении подвижного
зеркала, то оказывается разрешающую способность со-
гласно уравнению (6. 16) можно получить только при ус-
ловии, если отклонение от параллельности зеркал не пре-
вышает
(6. 17)
где Е>з — диаметр пучка параллельных лучей или диа-
метр зеркал 31 и 32, см;
/v2 —максимальная длина волны исследуемого
спектрального диапазона, мкм.
Разрешающую способность реального спектрометра,
учитывающую влияние всех ограничивающих факторов,
называют эффективной. Эффективная разрешающая спо-
собность равна отношению длины волны исследуемого ис-
точника к эффективному пределу спектрального разре-
шения. Эффективный предел спектрального разрешения
определяется шириной реальной аппаратной функции
спектрометра. Эта функция теоретически может быть
определена только приближенно. Точный вид аппаратной
функции может быть определен экспериментально после
изготовления опытного образца прибора. Регистрацион-
ная кривая, полученная на выходе прибора при облуче-
нии его входа монохроматическим источником, и будет
представлять аппаратную функцию этого прибора, учи-
тывающую влияние всех причин, ограничивающих его
разрешающую способность.
Светосила ФСп так же, как и в дифракционном щеле-
вом спектрорадиометре, представляет отношение потока
лучистой энергии, облучающего ПЛЭ, к яркости исследу-
емого источника излучения. Светосила спектрометра рав-
на произведению КПД спектрометра на геометрический
фактор монохроматора:
Сфс=ПфсС=11фс253=1> ~ 53, (6. 18)
у<эфф
164
л/Д
где S3=-------площадь зеркал 3i и 32;
4
/?эфф — эффективная разрешающая способность
ФСп:
G = 2S3 — геометрический фактор интерферометра,
СфАфф =r>^.2nS3=const.
Таким образом, произведение светосилы на разрешаю-
щую способность для интерференционного фурье-спсктро-
метра является инвариантом, так же, как и для щелевого
дифракционного спектрометра.
Используя уравнения (6,18) и (5.15), найдем отноше-
ние светосил интерференционного и дифракционного
спектрометров. При этом допустим, что оба спектрометра
имеют одинаковые разрешающие способности, равные
КПД и площади сечения параллельного пучка лучей, т. е.
^ит ^дф’ Лит — Нф’ Фэш>
где 7?шт — разрешающая способность интерференционно-
го спектрорадиометра;
/?Дф— разрешающая способность дифракционного
спектрорадиометра.
Монохром атор диф р акцио н него спектр ор а дном етр а
возьмем наиболее светосильный, т. е. с автоколлиманион-
ной оптической схемой и эшелеттом с длиной волны, отве-
чающей максимуму концентрации энергии, отраженной
эшелеттом, Хмк.
При этих условиях отношение светосилы интерферен-
ционного спектрометра к светосиле дифракционного
спектрометра выразится уравнением:
__'Пит ^3 __,_____ ___Л___
СЛф Члф Рэш 23' sin а 2f^sina
так как 2sin а=тЛ^“,=28ш/^Дф и
£,*=2?' 28'.
Лф I Ш 1 л
Поскольку знаменатель соотношения (6. 19) значи-
тельно меньше единицы, светосила интерференционного
спектрометра значительно превышает светосилу дифрак-
ционного спектрометра при условиях, указанных выше.
Рассчитаем для примера отношение светосил интерферен-
ционного и дифракционного спектрометров с характерис-
(6.19)
165
тиками спектрорадиометра, указанными в табл. 5. 1 для
спектрального диапазона 14—33 мкм. Эшелетт с N =
— 12 штр/мм в спектре первого порядка длина волны мак-
симума концентрации: =20 мкм угловой размер дли-
ны щели со стороны монохроматора
f 55
— =2°20' —=2°50'=48-10-3 рад.
/к л 45
Соответственно угол блеска эшелетта автоколлимацион-
ной схеме монохроматора
sin а=-Д m-VV“-10-3=0,5-12-20-1С)-3=12-10~2;
меньше чем 100, то максимальная разность хода должна
быть не меньше, чем Дмк=25 • 100=2500 Л1юи=2,5 мм, а
максимальное перемещение подвижного зеркала.
^2= 1,25 мм.
2
Расчет скорости движения подвижного
зеркала и основывается на согласовании частот сигна-
лов переменного тока на выходе ПЛЭ с частотной харак-
теристикой ПЛЭ. Как это следует из выражения (6.8),
отношение скорости движения зеркала к скорости света в
пустоте может быть записано в следующем виде:
~500.
Сдф 48-10“3-12-10—2
Из приведенного расчета следует, что фурье-спектро-
радиомстр с характеристиками дифракционного спектро-
радиометра может обладать светосилой большей, чем па
два порядка.
6.4. РАСЧЕТ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО
СПЕКТРОРАДИОМЕТРА
Расчет ФСп включает в себя, кроме обычно проводи-
мых расчетов при проектировании оптико-механических
приборов, расчет длины перемещения подвижного зерка-
ла или максимальной разности хода интерферирующих
лучей, энергетический расчет и расчет скорости изменения
разности хода.
Расчет максимальной д л и н ы пере м е щ е-
ния подвижного зеркала проводится на основа-
нии зависимости (6. 11). Очевидно, что при заданном
спектральном диапазоне м—Аг или <У1—ог максимальная
разность хода между интерферирующими лучами долж-
на быть
д ___\ Г) _ 1
А мк — A2/< — ? 31 -*
а1 *2
Перемещение подвижного зеркала от нулевого поло-
жения должно быть равно половине максимальной раз-
ности хода. Так, например, если задан спектральный ди-
апазон от 5 до 25 мкм (400—2000 слг1) и разрешающая
способность ФСп во всем диапазоне должна быть не
где
С 3-1014 ..
v — — =—-— =6 • 1СВ мкм • сек 1 при = 5 мкм.
Если в качестве ПЛЭ применяется неохлажденное
серносвипцовое фотосопротивление, то максимальная
частота модуляции облучающего потока может быть без
заметной потери пороговой чувствительности равна
2000 гц. Тогда для 2v=5 мкм
— = -—- = — 10~10, -и = 1 см)сек.
С 6-1013 3 '
Полное время регистрации заданного спектрального
диапазона в сек
гг __^мк__0>25_q
1 фс------—=u,zo сек.
V 1
Время регистрации одного спектрального элемента
равно полному времени регистрации Т$с, так как в про-
цессе измерений заданного спектра все спектральные
элементы одновременно облучают ПЛЭ и перемещение
подвижного зеркала только изменяет частоты сигнала на
выходе ПЛЭ. В этом отношении ФСп отличается от диф-
ракционного спектрорадиометра. В дифракционном
спектрорадиометре при регистрации ц спектральных эле-
ментов время полной регистрации спектра Гдф-
166
167
где ГДф — время регистрации одного спектрального эле-
мента то же, что и для ФСп. Однако это справедливо
только для случая, когда чувствительность ФСп ограни-
чена только шумами ПЛЭ. Если шумы ПЛЭ значительно
меньше, чем шумы, например, вследствие флюктуаций
фона, то результирующий шум на выходе ПЛЭ будет ра-
вен корню квадратному из суммы квадратов шумов, вно-
симых каждым спектральным элементом, и, следователь-,
но, отношение сигнал/шум на выходе ПЛЭ будет в ]/у.
меньше. Поскольку время наблюдения сигнала для полу-
чения заданного отношения сигпал/шум, пропорциональ-
но квадрату отношения сигнал/шум, то время полной
регистрации спектра для ФСп в этом случае должно быть
также равно р,7фС. Поэтому уменьшение полного времени
регистрации до времени наблюдения одного спектраль-
ного элемента в ФСп имеет место при измерении инфра-
красных спектров, когда шумы фона пренебрежимо малы
по сравнению с шумами ПЛЭ.
Очевидно, что при разработке электронного усилителя
для ФСп необходимо соблюдение условия 7фС>Зтус, тус—
постоянная времени усилителя.
-Энергетически^ расчет^.ФСп может быть выполнен по
тем же зависимостям, что и для дифракционного спектро-
радиометра (см. гл. 5). Необходимая величина диаметра
объектива радиометра, обеспечивающая заданное отно-
шение сигнал/шум на выходе электронного канала, рас-
считывается по уравнению (5.21), но при определении
КПД спектрорадиометра следует учесть отсутствие диф-
ракционной решетки. Поэтому в выражении (5. 17) коэф-
фициент относительной интенсивности дифракционной
решетки следует положить равным единице, так же как и
коэффициент ее зеркального отражения. Однако коэффи-
циент полезного действия модулятора следует брать рав-
ным 0,5 при отсутствии обтюратора, превращающего по-
ток, принимаемый объективом радиометра, так как со-
гласно выражению (6. 5) половина потока, независящая
от изменения разности хода, не пропускается усилителем
электронного канала.
6.5. АМЕРИКАНСКИЙ ФСп ДЛЯ ИСЗ, МОДЕЛЬ 1-6Т ФИРМЫ
«BLOCK ASSOCIATES»
Интерференционный ФСп 1-6Т был установлен на бор-
ту метеорологического ИСЗ, запущенного па орбиту ВВС
США 17 сентября 1962 г. [36]. ФСп должен был сделать
спектральные измерения теплового излучения Земли и ее
атмосферы. Общий вид ФСп 1-6Т приведен на рис 6.4.
Оптическая схема интерферометра представлена на
рис. 6. 5.
Общая масса ФСп 1-6Т—2,7 кг. Потребляемая мощ-
ность менее 8 вт. Входное окно прибора выполнено из
кристалла КРС5. Как видно на рис. 6.5, схема интерфе-
Рис. 6.4. Американский ФСи модель 1-6Т
рометра представляет классическую схему интерферомет-
ра Майкельсона, аналогичную представленной на рис. 6.1.
Максимальная длина перемещения подвижного зеркала
= Л- 25-15=0,19 мм
2 2
где лмк=15 мкм — максимальная длина волны в исследу-
емом спектральном диапазоне 1,8—15 мкм. Скорость дви-
жения зеркала из =0,19 мм}сек. Разрешающая способ-
ность ФСп 1-6Т /? = 25, т. е. спектральный предел разре-
шения б%=0,4 мкм при длине волны Х=10 жюи или в вол-
новых числах да=20 слН при 1000 см-1. Телесный
угол поля зрения ФСп 1-6Т ыи=15 пространственных гра-
дусов. Подвижное зеркало М j перемещается специальным
устройством, преобразующим напряжение электрического
тока, изменяющееся по пилообразному закону, в линей-
ные перемещения зеркала. Интерферограммы записыва-
ются па магнитную ленту. Несколько интерферограмм
168
169
соединяются в непрерывную петлю и вводятся в узкопо-
лосный фильтр переменной частоты. Фильтр медленно пе-
рестраивается в диапазоне звуковой частоты, соответст-
вующем частотам выходных сигналов ФСп.
Рис. 6.5. Оптическая схема ФСп модель 1-6Т
Таким образом, осуществляется преобразование ин-
терферограмм в спектрограммы исследуемых источников
излучения.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ
ПЕРЕДАЧИ ИСЗ «ТИРОС-П»
Схема передачи информации от БАР на Землю вклю-
чает бортовую телеметрическую аппаратуру и приемо-
командную аппаратуру на Земле. Связь между бортовой
ИСЗ
В вычислительный
центр магнитная
лента, с цифровой
записью
Приема -
команв-
кая стан
ция на
Земле L
23
Рис. 1.1. Структурная схема системы телеметрической пере-
дачи ИСЗ «Тирос-И»
и наземной аппаратурой поддерживается по радиокана-
лам на частотах, требующих визуальной связи между
антеннами передающих и принимающих радиоаппаратов
(рис. Пр. 1. 1).
171
С выхода радиометра 1 сигнал в виде напряжения по-
стоянного тока положительной полярности поступает на
телеметрическую аппаратуру, схемы которой могут быть
различными. В ИСЗ «Тирос-П» телеметрическая переда-
ча сигналов с борта на Землю выполнена следующим об-
разом. Сигнал с выхода радиометра поступает на генера-
тор 4 импульсов, модулированных по частоте: девиация
частоты импульсов генератора зависит от величины на-
пряжения с выхода радиометра. Сигнал с выхода генера-
тора, модулированный по частоте, поступает в усили-
тель 5 записи на магнитную ленту и затем па записываю-
щую и воспроизводящую головку 10 магнитофона. Пере-
ключатель 6' переключает головку 10 с записи на воспро-
изведение и обратно по командам приемо-командной
станции, которые он принимает с помощью радиоприем-
ника с антенной 17. Стирающая головка И магнитофона
с помощью генератора стирающих импульсов 12 стирает
с ленты предыдущую, уже ненужную запись, перед новой
записью. Барабан 13 с магнитной лентой вращается от
двигателя 14 со стабилизированным числом оборотов.
При воспроизведении сигнал, считываемый головкой 10,
дополнительно усиливается усилителем 7 и передатчи-
ком 8 с антенной 9 передается па антенну 19 приемо-ко-
мандной станции. Одновременно с основной информаци-
ей на магнитную ленту записывается вспомогательная
информация, необходимая для расшифровки основной
информации. В качестве примера на рис. 1.7 показаны
блоки записи данных о температуре корпуса и электрон-
ных блоков радиометра. Эти данные передаются датчика-
ми температуры корпуса 2 и электронного канала 3 через
переключатель 15 на генератор 16. Генератор 16 генери-
рует импульсы частоты, отличной от частоты генерато-
ра 4, при этом сдвиг фазы этих импульсов зависит от ве-
личины напряжения, подаваемого датчиками температу-
ры на вход генератора.
Аппаратура приемо-командной станции на Земле
включает: радиоприемник 20 с антенной 19, принимаю-
щий сигналы от антенны 9 телеметрии с борта спутника.
Эти сигналы поступают па демодулятор 21 и аналого-
дискретный преобразователь 22. Сигналы в цифровом
коде записываются на магнитную лепту магнитофоном 23.
Магнитные ленты с записью сигналов, полученных с бор-
та спутника, отправляются приемо-командной станцией в
172
вычислительный центр для обработки и расшифровки
информации.
Приемно-командная станция с помощью радиопере-
датчика 24 с антенной 25 передает на борт ИСЗ команды,
необходимые для управления полетом и работой бортовой
аппаратуры. Так, для аппаратуры научных исследований
передаются команды на подготовку к работе радиомет-
ров, на их включение и выключение, на переключение
магнитофона с записи па воспроизведение и т. д.
При достаточном запасе магнитной ленты в магнито-
фоне такая схема позволяет записывать информацию на
спутнике независимо от положения спутника по отноше-
нию к приемо-командным станциям на Земле. Записан-
ная информация принимается командно-приемной стан-
цией в моменты, когда антенны спутника и наземной
станции видят друг друга.
П риложенае 2
Л / С3 \-1
(’ I )Т I
Ср-Це —1/ d'K
Значения функции Z I——)= —-------------------
\ ^т- ( С-г \ 1
1 C]X-5(eA7j-U dK
о
1 Z X Z X ~^т Z
0,10 5,5*10-18 0,71 7,59-10-2 0,96 2,239*10-1
0,20 4,0-10-8 0,72 8,07*10-2 0,97 2,304*10-1
0,30 5,47-10-5 0,73 8,57-10-2 0,98 2,369-10-1
0,40 1,54*10—3 0,74 9,08*10-2 0,99 2,454*10-1
0,50 1,00*10-2 0,75 9,61-10-2 1,00 2,500*10-1
0,51 1,16-10-2 0,76 1,014*10-1 1.01 2,566*10-1
0,52 1,33-10-2 0,77 1,068*10-1 1,02 2,632*10-1
0,53 1,52-10-2 0,78 1,123-10-1 1,03 3,697*10-1
0,54 1,71-10-2 0,79 1,180* 10-1 1,04 2,763-10-1
0,55 1,91-10-2 0,80 1,237*10-1 1,05 2,828-10-1
0,56 2,12*10-2 0,81 1,296*10-1 1,06 2,894*10-1
0,57 2,39-10-2 0,82 1,355*10-1 1,07 2,959*10-1
0,58 2,67-10-2 0,83 1,415*10-1 1,08 3,025*10-1
0,59 2,96-10-2 0,84 1,475-10-1 1,09 3,090*10-1
0,60 3,25*10-2 0,85 1,511-10-1 1,10 3,155*10-1
0,61 3,57-10-2 0,86 1,548*10-1 1.П 3,219-10-1
0,62 3,90-10-2 0,87 1,635*10-1 1.12 3,283*10-1
0,63 4,25*10-2 0,88 1,723*10-1 1,13 3,346-10-1
0,64 4,61*10-2 0,89 1-786*10-1 1.14 3,409*10-1
0,65 5,00-10-2 0,90 1,850-10-1 1,15 3,471 *10-1
0,66 5,39*10-2 0,91 1,914*10-1 1,16 3,534*10-1
0,67 5,80*10-2 0,92 1,978*10-1 1,17 3,596*10-1
0,68 6,22*10-2 0,93 2,043*10-1 1,18 3,658*10-1
0.69 6,67-10-2 0,94 2,108-10-1 1.19 3,719*10-1
0,70 7,12*10-2 0,95 2,173*10-1 1,20 3,781-10-1
174
Продолжение
А А «г Z * к Z i Z
1,21 3,841-10-1 1,50 5,403-10-1 2,20 7,672-10-1
1,22 3,902-10-1 1,52 5,495-10-1 2,25 7,772-10-1
1,23 3,962-10-1 1,54 5,586-10—1 2,30 7,873-10-1
1,24 4,022-10-1 1,56 5,675-10-1 2,35 7,963-10-1
1,25 4,081-10-1 1,58 5,761-10-1 2,40 8,053-10-1
1,26 4,140-10-1 1,60 5,846-10-1 2,45 8,133-10-1
1,27 4,198-10-1 1,62 5.929-10-1 2,50 8,214-10-1
1,28 4,256-10-1 1,64 6,010-10-1 2,55 8,286-10-1
1,29 4,313-10-1 1,66 6,090-10-1 2,60 8,358-10-1
1,30 4,371-10-1 1,68 6,168-10-1 2,(55 8,423-10-1
1,31 4,427-10-1 1,70 6,243-10-1 2,70 8,488-10-1
1,32 4,483-10-1 1,72 6,317-10-1 2,75 8,546-10-1
1,33 4,538-10-1 1,74 6,390-10-1 2,80 8,605-10-1
1,34 4,539-10-1 1,76 6,461-10-1 2,85 8,658-10-1
1,35 4,647-10-1 1,78 6,530-10-1 2,90 8,711-10-1
1,36 4,701-10-1 1,80 6,598-10-1 2,95 8,759-10-1
1,37 4,754-10-1 1,82 6,665-10-1 3,00 8,807-10-1
1,38 4,807-10-1 1,84 6,729-10-1 3,20 8,972-10-1
1,39 4,859-10-1 1,86 6,792-10-1 3,50 9,170-10-1
1,40 4,911-10-1 1,88 6,854-10-1 4,00 9,410-10-1
1,41 4,962-10-1 1,90 6,915-10-1 5,00 9,661-10-1
1,42 5,013-10-1 1,92 6,975-10-1 6,00 9,789-10-1
1,43 5,063-10-1 1,94 7,033-10-1 7,00 9,861-10-1
1,44 5,114-10-1 1,96 7,080-10-1 8,00 9,903-10-1
1,45 5,163-10-1 1,98 7,183-10-1 9,00 9,930-10-1
1,46 5,212-10-1 2,00 7,196-10-1 10,0 9,948-10-1
1.47 5,260-10-1 2,05 7,322-10-1 15,0 9,984-10-1
1,48 5,308-10-1 2,10 7,448-10-1 30,0 9,998-10-1
1,49 5,355-10-1 2,15 7,560-10-1 50,0 9,999-10-1
175
1. Аллеи К. У. Астрофизические величины. (Пер. с англ.) М.,
ИЛ, 1960.
2. Бибер м а и Л. М. Растры в электрооптических устройствах.
М., «Энергия», 1969.
3. Блох А. Г. Основы теплообмена излучением. М., Госэнерго-
пздаг, 1960.
4. Большаков В. Д. Теория ошибок наблюдения с основами
теории вероятностей. М., «Недра», 1965.
5. Б рам сон М. А. Справочные таблицы по инфракрасному из-
лучению нагретых тел. М., «Наука», 1964.
6. Б р о у н ш т е й н А. М. Черный излучатель с большим отвер-
стием.— «Труды Главной Геофизической Обсерватории им. Воейко-
ва М. И.», 1960, вып. 100.
7. Б о и ч - Б-р у е в и ч А. М. Радиоэлектроника в эксперименталь-
ной физике. М., «Наука», 1966.
8. Волосов Д. С., Цыпкин М. В. Теория и расчет светоопти-
чсских систем проекционных! приборов. М., «Искусство», 1960.
9. Г с р а с и м о в Ф. М. Современные дифракционные решетки.
Часть III. Классификация и спектральные характеристики. — «Оптико-
механическая промышленность», 1965,. № 1L
10. Джемисон Д. Э. и др. Физика и техника инфракрасного
излучения. М., «Советское радио», 1965.
11. Джонс Р. Иммерсионные приемники излучения. Полупро-
водниковые фотоприемники и преобразователи излучения. Сб. статей
под ред. Фримера А. И. и Таубкина И. И. (Пер. с англ.) М., «Мир»,
1965.
12. Жак и к о Г1. Новые взгляды па технику спектроскопии.—
«Успехи физических наук», I960, т. 72, вып. 4.
13. Жакиио П. Исследование достижений интерференционной
спектроскопии. — «Успехи физических паук», 1962, т. 78 вып. 1.
14. Ильин Р. С. и др. Лабораторные оптические приборы. М.,
«Машиностроение», 1966.
15. Каты с Г. П. Информационные сканирующие системы. М.,
«Машиностроение», 1965.
16. К л я ч к и н Л. 3. Точность определения амплитуды входного
сигнала при преобразовании динамического диапазона. — «Вопросы
радиоэлектроники», 1962, сер. XII, общетехническая, вып. 4.
17. Кондратьев К. Я. Метеорологические спутники. М.,
Гидрометеоиздат, 1963.
176
18. у л и к о в с к а я М. И. Влияние формы канавки на распре-
делений интенсивности света дифрагированного от решетки. — «Оп-
тико-механическая промышленность», 1957, №_4.
19. Ландсберг Г. С. Оптика. М_, Гостсхиздат, 1954.
20. Л с б ед и н с к и й А. И. и др. Инфракрасная спектрофотомет-
рия теплового излучения Земли. Комиссия по исследованию и исполь-
зованию космического пространства АН СССР.—«Труды всесоюзной
конференции по физике космического пространства». М., «Наука»,
1965, 65—77.
21. Л св а в то в с кий В. И. Ракстон к Луне. М., Физмат-
гиз, 1960.
22. Л о к к А. С. Основы проектирования управляемых снарядов.
М., Гостехтеоретиздат, 1957.
23. М а р г о л и и И. А., Румянцев И. П. Основы инфра-
красной техники. М., Восниздат, 1957.
24. Панкратов И. А., В и н о г р а д о в Л. М. Тепловые при-
емники радиации при глубоком охлаждении.—«Оптико-механическая
промышленность». 1964. № 78.
25. С митт Р. и др. Обнаружение и измерение инфракрасного
излучения. М., ИЛ, 1959.
26. Т v р ы г п п И. А. Прикладная оптика. М., «Машиностроение»,
1966.
27. Ха ркевич А. А. Спектры н анализ. М.» Физматгиз, 1962.
28. X е к ф о р д Г. Л. Инфракрасное излучение. М... «Энергия»,
1964.
29. Ш и ш л о в с к и й А. А. Прикладная физическая оптика. М..
Физматгиз, 1961.
30. Эс'хеймер, Де В а а р д, Джексон. Инфракрасная
аппаратура метеоспутника «Тирос-П». Хенел, Уерк. Результаты изме-
рений, полученные с метеоспутника «Тирос-П».—«Зарубежная ра-
диоэлектроника», 1963, № 1, с. 76- -99.
31. Я к у ш е н к о в Ю. Г. Физические основы оптико-электронных
приборов. М., «Советское радио», 1965.
32. A s t h е i m е г R. W.( De W а а г d R. and Jackson E. A. —
Infrared Radiometric Instruments on Tiros-II, Journal of the Optical
Society of America. 1961, v. 51, No. 12, pp. 1386—1393.
33. Schwarz F. and Liolkowski A.— 2-ChanneI Infra-
red, Radiometer for Mariner-Il. «Infrared Phvsics», 1964, v. 4, No. 2,
April, pp. 113—126.
34. Chase S. C. — The Mariner-II Infrared Radiometer Experi-
ment. Journal of Geophysical Research, 1963, v. 68, No. 22, November,
pp. 6157—6169.
35. Schwarz F. — Infrared Circuits in Tiros Satellites. «Electro-
nics», 1961, v. 34, No. 38, pp. 43—45.
36. Louis C Block and Alex S. Zach or. — Inflight Sa-
tellite Measurements of Infrared Spectral Radiance of the Earth.
«Applied Optics», 1964, v. 3, No. 2, pp. 209—214.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие................................................. 3
Глава I. Оптические каналы бортового автоматического радио-
метра ...................................................... 5
1. 1. Назначение и блок-схема........................... 5
1.2, Физические основы конструирования оптических ка-
налов .................................................. 8
1. 3, Принципиальные схемы оптического канала .... 28
1. 4. Особенности конструкции элементов принципиальной
схемы оптических каналов БАР........................... 43
1.5. Особенности конструкции опорного излучателя ... 62
1.6. Приемники лучистой энергии для бортовых автомати-
ческих инфракрасных радиометров........................ 67
1.7. Особенности конструкции БАР, обусловленные физи-
кой космического пространства.......................... 71
Глава II. Особенности конструирования электронного канала
бортового автоматического радиометра..................... 75
2. 1. Назначение электронного канала................... 75
2. 2. Блок-схема электронного канала БАР и требования
к ее отдельным элементам............................... 78
2.3. Структурная и принципиальные схемы электронных
каналов некоторых БАР.................................. 92
Г лава III. Точность измерения яркости излучателей бортовым
автоматическим радиометром.................................. 98
3. 1. Источники ошибок измерения БАР яркости источни-
ков излучения.......................................... 98
3.2. Методика градуировки и эталонирования БАР . . . 102
3. 3. Расчет необходимого отношения сигнал/шум на выхо-
де электронного канала при проектировании БАР 107
Глава IV. Энергетический расчет бортового автоматического
радиометра 109
4. 1. Предварительные замечания....................... 109
4.2. Энергетический расчет радиометра................ 110
178
Стр.
Глава V. Бортовые щелевые автоматические инфракрасные
спектрорадиомегры............................... 120
5. 1. Задачи спектральных измерений в космосе. Общие тре-
бования к измерительной аппаратуре. Спектрорадио-
метр.................................................. 120
5. 2. Принципиальные схемы монохроматоров БАС .... 123
5.3. Дифракционная отражательная плоская решетка.
Эшелетт и его преимущества для БАС. Оптические ха-
рактеристики эшелетта и спектрорадиометра . . . 127
5.4. Энергетический расчет спектрорадиометра.......... 143
Глава VI, Бортовые автоматические фурье-спектрорадиометры 150
6. 1. Интерференционная спектрометрия и ее значение для
исследования космического пространства ..... 150
6.2. Принципиальная схема ФСп......................... 152
6.3. Характеристики интерференционного ФСп........... 159
6.4. Расчет интерференционного спектрорадиометра . . 166
6.5. Американский ФСп для ИСЗ, модель 1-6Т фирмы
«Block Associates» . . . . ,......................... 168
Приложения
1. Структурная схема системы телеметрической передачи
ИСЗ «Тирос-П» ....................................... 171
2. Значения функции ................ 174
f 6^-5 (е'г — 1)“!й?Х
5-------------------
\ Кп / со
[ 1)“WX
О
176