Мультиспектральный оптико-электронный преобразователь.

Блок ОЭП осуществляет прием изображения наблюдаемого участка земной поверхности, сформулированного оптической системой в фото приемной плоскости блока и преобразует это изображение в цифровой сигнал .

· ОЭП включает в себя оптическую часть и электронную .

Оптическая часть представляет собой спектроделительное устройство , обеспечивающее формирование изображения наблюдаемого участка земной поверхности в трех спектральных диапазонах;

· Электронная часть блока имеет в своем составе 3 канала для приема , преобразования и обработки изображений каждый канал содержит линейный ФПЗС , формирователь импульсного питания ФПЗС.

(ФИП), тракт обработки сигнала (ТОС), формирователь временной диаграммы (ФВД) и буфер цифрового сигнала (БЦС). В состав каждого канала входит также температурный датчик (В ) .

3.3.5 Оптическая система космического телескопа (КТ)

Оптическая система космического телескопа (КТ) включает в себя объектив, светозащитное устройство (бленду), крышку для защиты от загрязнения и попадания прямого солнечного излучения, а также элементы системы фокусировки объектива в полете. В состав оптической системы, входит система обеспечения температурного режима (СОТР), необходимая для сохранения качества рабочих поверхностей оптических элементов. Параметры конкретной оптической системы зависят от решаемых задач и облика аппаратуры. Диаметр 2,4 м соответствует самому совершенному космическому телескопу «Hubble», предназначенному для астронаблюдения.

С учётом этих обстоятельств и условий эксплуатации аппаратуры космического базирования, выбор оптимальной оптической схемы является одним из важных и очень сложных этапов создания космического телескопа (КТ).

С одной стороны, это стремление получить от оптической схемы желаемые параметры, например: максимальный диаметр главного зеркала (ГЗ), и соответствующее фокусное расстояние для обеспечения высокого линейного разрешения. Следовательно при выборе оптической схемы следует опираться на дополнительные характеристики и критерии. Выбор критериев оптических системвыделено в следующих пунктах:

– линейные размеры космического телескопа (масса КТ определяются во многом диаметром ГЗ).

– количество оптических элементов, которые требуют контроля и коррекции положения в условиях эксплуатации;

– устойчивость оптических элементов к температурным перепадам;

– обеспечение контроля и качества формы поверхности оптических элементов, наиболее влияющих на качество изображения всего КТ.

Для обеспечения хорошего качества изображения космического телескопа, на всех этапах его изготовления и эксплуатации требуются коррекции волновой функции, для этого необходимы калибровки и юстировки в ходе эксплуатации.

С учетом вышеназванных критериев и следует рассматривать различные оптические схемы объективов крупногабаритных КТ: линзовые, зеркально-линзовые, зеркальные.

В КС ДЗЗ о используется широкий диапазон спектра от ультрафиолетового до дальнего ИК. Линзовые, стеклянные объективы более тяжелее сопоставимых с ними по диаметру и светосиле зеркальных и зеркально-линзовых оптических систем, но позволяют получать очень большие поля зрения, недоступные зеркальным системам. В основном для космических систем высокого разрешения используют зеркальные объективы, некоторые из которых приведены ниже на рис. 4.7 .

В телескопе космической техники часто используются следующие конструктивные решения:

– Осесимметричные центрированные;

– Зеркальные и зеркально-линзовые Ричи-Кретьена;

– Однозеркальные (типа Ричи-Кретьена) корректором схема «Асфар» ГОИ им.С.И.Вавилова;

– Двухзеркальные, с корректором (типа Кассегрена).

Зеркальный триплет Кука, условно децентрированная.

Система Ричи-Кретьена

Оптическая схема телескопа Ричи—Кретьена—Кассегрена

Последнее время в зеркальных телескопах широкое применение получила система Ричи — Кретьена, представляющая собой улучшенный вариант системы Кассегрена. В этой системе главное зеркало — вогнутое гиперболическое, а вспомогательное — выпуклое гиперболическое. Окуляр установлен в центральном отверстии гиперболического зеркала.

Структурная схема ПЗС

Наибольшие развитие получило первое направление, связанное с использованием приборов с зарядовой связью в качестве фотоприемников. Конструктивно-технологические особен­ности ПЗС таковы, что в них легко достичь очень высокой степени интеграции, так как ПЗС представляют собой регулярный массив сравнительно простых по топологии элементов, к которым не нужно изготавливать индивидуальные контакты.

Фоточувствительные ПЗС нашли применение в аппаратуре широ­кого спектра: в промышленных и бытовых ТВ-камерах, охранных системах, робототехнических комплексах и системах технического зрения, прецизионных измерителях координат, сборочном оборудо­вании, оптических и радиотелескопах, системах ввода графической информации в ЭВМ (сканеры), в бортовой космической съемочной телевизионной аппаратуре.

Физика работы ПЗС - это преобразования фотона света в электрический сигнал. Источником полезного сигнала являются электроны, генерируемые под действием света, в количестве, пропорциональном количеству поглощенных фотонов. Эти электроны могут попадать в потенциальную яму двумя способами: генерироваться в обедненном слое (т. е. в самой яме) и за счет дрейфа из нейтрального объема полупроводника.

Размещаемый в потенциальной яме информационный заряд Q_ИНФ называют зарядовым пакетом. Величина зарядового пакета пропорциональна количеству носителей, которые генерируется поглощенными фотонами, и времени, в течение которого на электроде поддерживается объединяющее смещение. Для смещения максимума потенциала в объем было предложено создать у поверхности неглубокий слой с противоположным подложке типом проводимости.

Физически оно означает, что там же в глубине, вдали от поверхностных ловушек, будут накапливаться электроны. Распределение потенциала в объемном канале показано на рис. 4.10. Такие МОП-структуры с объемным каналом используются во всех современных ПЗС.

Если две МОП-емкости сблизить так, чтобы между ними был минимальный зазор (0,2-1 мкм), либо его вообще не было, можно организовать перенос накопленного под одним электродом зарядового пакета под другой электрод. Это и есть зарядовая связь, основная идея ПЗС - т. е. перенос заряда последовательно по цепочке МОП-конденсаторов.

Если эти емкости расположить достаточно близко, то при подаче импульсного смещения с периодом Т с двумя уровнями: высоким (вершина) и низким (нижним) происходит смещение зарядов в низкий уровень.

Рис. 4.10. Структура реальной МОП-емкости с объемным каналом:

1 -подложка;2- каналоограничивающая область; 3 - оксид; 4 - электрод;

5 - объемный канал; б - область стока; 7 - область проникновения поля.

Допустим, что в начальный момент, например, электроду №1 подан высокий уровень напряжения, тогда под ним образуется глубокая потенциальная яма, в которую тем или иным способом может быть помещен заряд (зарядовый пакет). Образуется, что дно электрода №1 ниже, чем у электрода №2. Далее происходит переключение электрода с высокого уровня на низкий, а с №2 - с низкого на высокий. В результате этого дно ямы электрода №2 окажется ниже, чем ямы электрода №1, и заряд из-под электрода №1 будет перетекать под электрод №2.

Для ограничения областей направленного переноса в сдвиговом ПЗС-регистре необходимы стоп-канальные области. Для этого электроды вертикального регистра подключены к шинам тактового питания (матричным фазам Ф1, Ф2, ФЗ), а электроды горизонтального регистра, подключены к шинам тактового питания выходного регистра (Ф_р1, Ф_р2, Ф_рз).

Необходимо обратить внимание на линейность свето-сигнальной характеристики в широком диапазоне освещенности (E_mm - Е' _тах). Основные ФПЗС имеют линейную характеристику при изменении облученности в 10 тыс. раз и даже лучше. Отклонение этой характеристики от прямой линии называют нелинейностью свето-сигнальной характеристики. При этом речь идет о рабочем участке (Е_mm- Е'_тах). У хороших ПЗС нелинейность составляет ~ 0,001.

Наклон свето-сигнальной характеристики показывает чувствительность (S) ФПЗС, чем больше наклон, тем выше чувствительность.

Важной характеристикой, дополняющей интегральную чувствительность, является спектральная чувствительность, характеризующая изменение чувствительности при облучении ФПЗС излучением различной длины волны.

Вид спектральной характеристики зависит от конструкции фотоприемной ячейки, а также технологии изготовления прибора. В основном ФПЗС должны иметь максимум чувствительности S в районе 0,6-0,8 микрон.

S = ΔU / (E_обч T_Н) (3.3.6.1)

где E_обч –освещенность в ф/п, T_Н –время накоп.

Основные характеристики ФПЗС можно разделить на три группы: фотоэлектрические, определяющие эффективность преобразования оптического сигнала в электрический; конструктивные и эксплуатационные.

Цифровой тракт ЦА-1 борта проводитобработки и преобразования цифровой информации движущегося видеоизображения (ВИ):

- преобразования дискретно-аналогового сигнала в цифровой сигнал;

- сжатия информации с заданным коэффициентом сжатия;

- структурное кодирование потока цифровой информации (ПЦИ).

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)проводит квантования дискретно-аналогового сигнала каждого канала ОЭП. Сигнал поступает на предварительный усилитель, где усиливается (до заданного уровня) перед передачей в тракт обработки. В тракте осуществляется аналого-цифровое преобразование сигнала в 10-ти разрядный код и передача его на входы ПЛИС.

Вся цифровая обработка и упаковка видеоинформации (ВИ) производится в ПЛИС. Пример реализации ПЛИС типа XC2V4000-5BF957 фирмы Xilinx. Каждый ПЛИС обрабатывает и упаковывает ВИ, поступающие с выходов групп АЦП трех полузон ОЭП. Обработка ВИ производится полузонно, а упаковка информационных пакетов поматрично. Выходная информация АЦП по каждому каналу поступает в ПЛИС, где вычитаются темновые уровни сигналов, вычисленные и зафиксированные в соответствии со специально разработанным алгоритмом (в начале маршрута). Причем в течение маршрута их величины не изменяются, что исключает появление в процессе съемки случайных полос в изображении.

СПИ, поступающая с выходов двух полуматриц одной ФПЗС упорядочивается и сжимается по алгоритму ДИКМ. Алгоритм реализуется в ПЛИС, где обработка производится конвейерным методом, последовательно по всем матрицам полузоны. ПЛИС типа XC2V4000-5BF957 фирмы Xilinx содержит три схемы сжатия.

Частота F₁ на входе модулей сжатия:

F₁ = 2*N_m* F_вх (3.3.6.2)

где N_m – количество матриц ФПЗС, обрабатываемых в одном канале (2*N_m – количество полуматриц). Частота F₂ на входе передатчика:

F₂ = F₁ * k_вх / (n* k_вых) (3.3.6.3)

где n – степень сжатия; k_вх – разрядность на входе ПЛИС;

k_вых – разрядность на выходе модуля сжатия.

Частота F_вых на выходе ПЛИС: F_вых = F₂ * k_вых,