CC BY
138
УДК 520.2
Вестник СибГАУ Т. 16, № 3. С. 651-657
РАСЧЕТ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА
СПЕКТРА, ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ОЧАГОВ ПОЖАРОВ С ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ ОРБИТЫ
С. А. Веселков*, Е. О. Горбатюк, Н. М. Кузакова, А. В. Заварзина
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*Е-шаЛ: рикаг1963@уаМех.гц
Рассмотрены возможности обнаружения малоразмерных пожаров с геостационарной орбиты (ГСО) с использованием оптических систем, работающих в ИК-диапазоне.
Согласно статистике 93 % всех лесных пожаров возникает в 10-километровой пригородной зоне, а значит, по вине местного населения. Сильные пожары от удара молнии случаются крайне редко, примерно в 2 % случаев, поскольку грозы, как правило, сопровождаются дождем. Поэтому представляется крайне важным осуществлять постоянное наблюдение именно южных районов края, где проживает подавляющее количество населения. С помощью специальной оптимизирующей программы CODE V был численно исследован оптический широкоугольный телескоп. Использование светосильной оптической системы f/1,5 позволило на ПЗС-матрице размером Sk*Sk получить пространственное разрешение до 200 м на пиксель с ГСО. Оптическая система представляет собой систему прямого фокуса с трехлинзовым корректором в сходящемся пучке. Все поверхности линз и главное зеркало имеют асферические поверхности. Приведены конструктивные параметры и графики качества изображения.
Существует возможность вести практически непрерывный мониторинг больших участков земной поверхности на предмет поиска пожаров малого размера - 1-2 га (если разместить рассчитанную оптическую систему на геостационарной орбите).
Ключевые слова: оптическая система, аберрационный расчет, обнаружение пожаров из космоса, ИК-диапазон.
Vestnik SibGAU Vol. 16, No. 3, P. 651-657
CALCULATION OF OPTICAL SYSTEMS FOR THE INFRARED SPECTRAL RANGE USED FOR THE DETECTION OF SMALL POCKETS OF FIRE FROM GEOSTATIONARY ORBIT
S. A. Veselkov*, E. O. Gorbatyuk, N. M. Kuzakova, A. V. Zavarzina
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: р[email protected]
The article discusses the possibility of detection of small fires from geostationary orbit, using optical systems operating in the IR-range.
In the time of the scientific and technological revolution, forest protection has become one of the most pressing issues. Forest fires are a powerful natural and anthropogenic factor which significantly alters the function and condition of the forest.
Forest fires cause damage to the environment, the economy, and often lives are under threat.
According to statistics, 93 % of all forest fires are a 10-kilometer suburban area, which means that they are the fault of the local population. Strong fires from lightning are rare, approximately 2 % of cases as a thunderstorm is usually accompanied by rain. Therefore, it is extremely important to continuously follow precisely the southern districts of the region, home to the vast number ofpeople. With the help of a special optimization program CODE V, the optical wide-angle telescope was numerically investigated. Using a high-aperture optical system f / 1,5, allowing the CCD-matrix size Sk x Sk, get a spatial resolution of 200 m per pixel from GSO. The optical system is a system of direct focus with three-lens corrector in a converging beam. All surfaces of the lens and the main mirror are aspherical surfaces. Given are the design parameters and the quality of graphics images.
There is a possibility to conduct almost continuous monitoring of large areas of the earth surface for the search of small fires - up to 1-2 hectares if you put the calculated optical system in geostationary orbit.
Keywords: optical system aberration calculation, the detection offires from space, IR-range.
Введение. Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) из космоса в оптическом диапазоне длин волн позволяет получить информацию как о географических и геофизических параметрах Земли, так и о техногенных процессах, происходящих на ее поверхности [1].
В зависимости от решаемых задач ДЗЗ осуществляется методами маршрутной, объектовой, стереоскопической, статической, динамической, топографической и спектрометрической съемки. В оптическом диапазоне ДЗЗ выполняется с помощью оптико-цифровых систем и комплексов, устанавливаемых на борту космических аппаратов (КА).
Для повышения достоверности данных, получаемых при дистанционном зондировании Земли, необходимо получать информацию в различных участках спектра, также в процессе съемки необходимо учитывать состояние атмосферы, что требует введения специальных датчиков и обусловливает дополнительную нагрузку на служебные системы. Одним из параметров атмосферы является ее коэффициент пропускания [2; 3]. Непрозрачность атмосферы определяется поглощением и рассеянием излучения на молекулах и атомах (рис. 1).
Окна прозрачности земной атмосферы в оптическом диапазоне таковы:
- видимый спектр и ближний ИК-диапазон: от 0,4 до 1,4 мкм;
- ближний инфракрасный диапазон, или ИК I: от 1,4 до 1,9 мкм и от 1,9 до 2,7 мкм;
- средний инфракрасный диапазон, или ИК II: от 2,7 до 4,3 мкм и от 4,5 до 5,2 мкм;
- дальний инфракрасный диапазон, или ИК III: от 8 до 14 мкм;
- удаленный инфракрасный диапазон, или ИК IV: от 16 до 28 мкм.
Для обнаружения лесных пожаров наиболее интересен инфракрасный (ИК) диапазон спектра, например, средний диапазон (ИК II) от 2,7 до 4,3 мкм, где максимум пропускания атмосферы (более 90 %) приходится на участок 3,4-4,2 мкм. Этот интервал наибо-
лее подходит для систем, регистрирующих изображения объектов с высокой собственной температурой.
Например, спутники Terra и Aqua программы EOS (Earth Observation System), получением и распространением данных с которых занимается ИТЦ «Скан-Экс», имеют в составе бортового оборудования спек-трорадиометр MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer). Тридцать шесть спектральных каналов охватывают диапазон с длинами волн от 0,4 до 14,4 мкм. При этом очаги возгорания можно дешифрировать как визуально, так и, что более важно, автоматизированно, используя яркостные температуры тепловых каналов. Алгоритмы детектирования пожаров в автоматическом режиме основаны на значительной разнице температур земной поверхности (обычно не выше 10-25 °C) и очага пожара (300-900 °C). Почти 100-кратное различие в тепловом излучении объектов фиксируется на снимке, а информация, поступающая с других спектральных каналов, помогает отделить облака [3; 4]. Временное разрешение - 4 раза в сутки. Пространственное разрешение 1 км позволяет выявить очаг пожара площадью 1 га.
Возможность ликвидации пожара на малой площади, особенно в условиях высокой пожарной опасности, определяется оперативностью обнаружения и проведения «первоначальной атаки». Из опыта работы служб Авиалесоохраны известно, что при площади очага менее 5 га ликвидация низового пожара осуществляется с высокой надежностью. Такие пожары ликвидируются десантом из 4-6 человек. Площадь свыше 25 га для одного и даже двух десантов считается критической, и пожар зачастую выходит из-под контроля. Таким образом, наиболее полно требованиям оперативного мониторинга лесных и торфяных пожаров соответствуют спутники с высоким пространственным разрешением и высокой периодичностью [5-7].
На рис. 2 приведена фотография, полученная со спутника SPOT 4, который позволяет получать снимки с пространственным разрешением до 10 м, что значительно лучше, чем результат, полученный со спутников Terra и Aqua.
Рис. 1. Светопроницаемость атмосферы из-за молекулярного рассеяния и поглощения на уровне моря
Рис. 2. Очаги торфяных пожаров, Московская область, окрестности п. Радовицы. Снимок SPOT 4, дата съемки 5 июня 2011 г. (Spotlmage, ИТЦ «СканЭкс»)
Площадь лесов Красноярского края, Таймырского и Эвенкийского автономного округов составляет 159 млн га. Леса имеют большую экономическую значимость и являются важным фактором регулирования и стабилизации окружающей среды. В среднем в лесах края ежегодно регистрируется около 1 тыс. пожаров на площади около 100 тыс. га.
В прошлом году от лесных пожаров в крае погибло 18,4 тыс. га леса. Материальный ущерб составил около 300 млн руб. В настоящее время основной объем информации для решения вышеозначенных задач поступает от наземных и авиационных служб охраны лесов. Однако отмечается, что в данных целях перспективно использование космических средств дистанционного зондирования [7].
По площади, охваченной огнём, лесные пожары подразделяются на следующие классы:
- загорание - пожар на площади 0,1-0,2 га;
- малый пожар - пожар на площади 0,2-2 га;
- небольшой пожар - пожар на площади 2,1-20 га;
- средний пожар - пожар на площади 21-200 га;
- крупный пожар - пожар на площади 201-2000 га;
- катастрофический пожар - пожар на площади свыше 2000 га.
Постановка задачи. Периодичность обзора территории с целью обнаружения лесных пожаров и слежения за динамикой их развития с момента наступления и до окончания пожароопасного сезона в светлое время суток в идеале не должна превышать 1 ч, а в ночное время - от 2 до 3 ч. С учетом технических возможностей допустима и меньшая периодичность обзора, поскольку в действующей системе периодичность авиационного наблюдения составляет лишь от 1 до 3 раз в сутки. Идея размещения оптической системы высокого разрешения на геостационарной орбите, работающей в ИК-диапазоне, выглядит заманчивой, так как позволит вести непрерывный мониторинг выбранного участка земной поверхности.
Желательно иметь вероятность обнаружения лесных пожаров площадью до 0,1 га - 80 %, площадью до 0,5 га - 95 % и площадью до 2 га - 99 % [7].
Из этого следует, что необходима оптическая система, имеющая пространственное разрешение не хуже 100 м, обеспечивающая практически непрерывный мониторинг (частота обновления 1 ч) поверхности земли и работающая в ИК-диапазоне.
Результат расчета оптической системы. Используя оптимизирующую программу для расчета оптики CODE V, были рассчитаны несколько вариантов оптических систем. В данной статье приведем одну из них.
Это зеркально-линзовая система прямого фокуса [8-11], где вблизи фокальной плоскости установлен трехлинзовый корректор поля, который обеспечивает поле изображения 2Q = 2,5 градуса. Линейное поле составляет 98 мм в диаметре (рис. 3).
Рис. 3. Оптическая схема ИК-телескопа диаметром 1,5 м
Диаметр главного зеркала оптической системы составляет 1505 мм, относительное отверстие Ш.5, фокусное расстояние 2258 мм. Конструктивные данные оптической системы приведены в таблице.
Конструктивные данные для ИК-телескопа с трехлинзовым корректором поля
г, мм С, мм Материал Режим
-3928,0242 -1453,6080 Воздух Отражение
-401,3850 -38,0226 СаГ2 Преломление
-921,7921 -160,9680 Воздух Преломление
-2023,8100 -21,7272 СаГ2 Преломление
-138,5669 -247,7992 Воздух Преломление
-144,1072 -27,1590 СаГ2 Преломление
-5,5833е + 004 -63,9640 Воздух Преломление
Рис. 4. График концентрации световой энергии в пятне рассеяния в фокальной плоскости
Главное зеркало - достаточно светосильный гиперболоид с эксцентриситетом Í2 = -1,2328, на который нанесены полиномиальные асферики до 6-го порядка. Все поверхности линз также имеют асферики до 6-го порядка.
Система рассчитывалась для спектрального диапазона X = 3-4,2 мкм. В качестве материала линз был выбран СаР2. Этот материал обладает выраженной анизотропностью механических свойств. Кальций фтористый используется для производства деталей ультрафиолетовой и инфракрасной микроскопии, оптических окон, линз и призм в ультрафиолетовой и инфракрасной спектроскопии. Область пропускания 0,15-9 мкм. В зависимости от рабочей области спектрального пропускания установлены три марки кальция фтористого: ФК-У, ФК-В, ФК-И. Для выбранного нами спектрального диапазона X = 3-4,2 мкм СаР2 обладает хорошим светопропусканием. Образец толщиной 10 мм пропускает более 90 % излучения [12].
График концентрации световой энергии в пятне рассеяния в фокальной плоскости представлен на рис. 4, по которому видно, что 80 % энергии попадает в кружок диаметром 7,5 мкм по всему полю изображения. На рис. 5 приведены точечные диаграммы пятен рассеяния для различных углов поля изображения. Мер-
ный отрезок на рис. 5 соответствует 50 мкм. Оптическая система является дифракционно-ограниченной для длины волны X = 3 мкм и более.
Диск Эри в нашей системе имеет диаметр Д = 2,44 X / А = 2,44 ■ 3,58 ■ 1,5 = 13,1 мкм [8], или в угловой мере Д" = X / 2Б = 1,19", что с расстояния геостационарной орбиты (36 000 км) соответствует 200 м на поверхности Земли, где X - длина волны света; А - относительное отверстие системы; Б -диаметр апертуры.
Приемник ИК-излучения. Сейчас расчет оптических систем нельзя проводить без учета приемников излучения, в данном случае ПЗС-матрицы. Современные светоприемники ИК-диапазона чаще изготавливают из Н^С^Ге. Изменяя пропорции составных элементов таких светоприемников, можно регулировать их рабочий диапазон. ^С^Ге-светоприемники позволяют с достаточно высокой квантовой эффективностью регистрировать ИК-излучение с длиной волны вплоть до 15 мкм. Научное объединение «Рокуэлл» производит различные типы ИК-светоприемников. С 1987 г. сменилось уже несколько поколений свето-приемников этой фирмы. Например, в 2006 г. был выпущен детектор HAWAII-6RG - матрица 6к*6к пикселей с размером пикселя 10 мкм. Название
HAWAII является аббревиатурой (HgCdTe Astronomical Wide Area Infrared Imager). Сейчас можно заказать матрицу 8k*8k [13].
Если использовать такую или лучше ИК-матрицу, то разрешение на пиксель составит 200 м. На такой светоприемник 80*80 мм (8k*8k, пиксель 10 мкм), установленный в фокусе рассчитанной оптической системы, с геостационарной орбиты (ГСО) поместится вся территория Красноярского края (рис. 6).
Таким образом, оптическая система позволяет обнаруживать малые пожары (до 2 га). Чтобы обнаруживать возгорания 0,1-0,2 га, необходим больший телескоп или интерферометр - два одинаковых телескопа, разнесенных на расстояние 10-20 м. Это
позволит повысить разрешающую способность оптической системы на порядок.
Качество получаемых изображений с ГСО. Общеизвестно, что геометрические характеристики космического снимка ухудшаются при отклонении оптической оси телескопа от надира [14; 15]. Приведем лишь один пример, демонстрирующий зависимость пространственного разрешения GSD (Ground Sample Distance) от угла отклонения от надира (рис. 7).
Нужно выполнять ортотрансформирование снимков. Если рассматривать территорию Красноярского края, то пространственное разрешение южных территорий будет в 2-3 раза лучше разрешения северных территорий.
Рис. 5. Вид пятен рассеяния в фокальной плоскости
Рис. 6. Вид Красноярского края в проекции на ПЗС-матрицу, размером 80x80 мм, установленную в прямом фокусе рассчитанной оптической системы
| WP
НЧ> \\
\\\
Y\
\\\
\ \ \
\ ч \
\ \ \
\ ч \
\ \ \
1 \ \ \
\ \ \
1 гч \ \ \
\ \ \
151 | \ \ \ ' GSDn \ \ \GSD ^J_ 0 ___\ \ \ а
1 пз X
-
Рис. 7. Ухудшение пространственного разрешения при отклонении от надира
Заключение. Согласно статистике 93 % всех лесных пожаров возникает в 10-километровой пригородной зоне, а значит, по вине местного населения. Сильные пожары от удара молнии случаются крайне редко, примерно в 2 % случаев, поскольку грозы, как правило, сопровождаются дождем. Поэтому представляется крайне важным осуществлять постоянное наблюдение именно южных районов края, где проживает подавляющее количество населения.
Рассчитана дифракционно-ограниченная оптическая система, работающая в среднем ИК-диапазоне диаметром 1500 мм и фокусным расстоянием 2260 мм, которая имеет пространственное разрешение 200 м на пиксель с расстояния ГСО. Эта оптическая система может вести практически непрерывный мониторинг больших участков земной поверхности на предмет поиска пожаров малого размера, вплоть до 1-2 га, если ее разместить на геостационарной орбите. Чтобы система могла обнаруживать возгорания 0,1-0,2 га, необходимо запустить на ГСО два телескопа в режиме астрономического интерферометра.
Библиографические ссылки
1. Демин А. В., Моисеева И. М. Оценка коэффициента пропускания атмосферы на основе экспериментальных данных // Изв. вузов. Приборостроение. 2012. Т. 55, № 5. 35-40 с.
2. Физика космоса / под ред. академика Р. А. Сю-няева. М. : Советская энциклопедия, 1986. 783 с.
3. Гарбук С. В., Гершензон В. Е. Космические системы ДЗЗ. М. : Изд-во А и Б, 1997. 296 с.
4. Глаголев Ю. А. Справочник по физическим параметрам атмосферы. Л. : Гидрометеоиздат, 1970. 194 с.
5. ИТЦ «СканЭкс». Мониторинг лесных и торфяных пожаров [Электронный ресурс]. URL: www.scanex.ru/ ru/data/Applications_ScanEx_p43-47.pdf (дата обращения: 13.11.2014).
6. Кашкин В. Б., Сухинин А. И. ДЗЗ из космоса. Цифровая обработка изображений. М. : Логос, 2001. 264 с.
7. Петров М. Н., Юронен Ю. П. Технология оценки ущерба от лесных пожаров // Фундаментальные исследования. 2007. № 2. 10-20 с.
8. Теребиж В. Ю. Современные оптические телескопы. М. : Физматлит, 2005. 80 с.
9. Максутов Д. Д. Астрономическая оптика. Л. : Наука, 1979. 395 с.
10. Михельсон Н. Н. Оптика астрономических телескопов и методы её расчета. М. : Физматлит, 1995. 383 с.
11. Зайков В. И., Скоморовский С. А. Лазерно-оптические системы в теплотехнических измерениях. Комсомольск-на-Амуре : Комсомольский-на-Амуре Рос. техн. ун-т, 1999. 85 с.
12. ООО «Флюорит». Кальций фтористый, CaF2 [Электронный ресурс]. URL: http://www.fluoride.su/ index.html (дата обращения: 13.11.2014).
13. Емельянов Э. В. Астрофизика ИК-диапазона. М. : Физматлит, 2009. 34 с.
14. Урмаев М. С. Орбитальные методы космической геодезии. М. : Недра, 1981. 254 с.
15. Шовенгердт Р. А. Дистанционное зондирование. Методы и модели обработки изображений. М. : Техносфера, 2010. 560 с.
References
1. Demin A. V., Moiseev I. M. [Evaluation of trans-mittance of the atmosphere on the basis of experimental data]. Izvestiya vyzov, 2012, Vol. 55, No. 5, P. 35-40 (In Russ.).
2. Fizika kosmosa. [Physics of the Cosmos]. Ed. R. A. Sunyaeva. USSR, 1986, 783 p.
3. Garbuk S. V., Gershenson V. E. Kosmicheskie sis-temy DZZ [Remote-sensing systems]. Moscow, Izd. A i B Publ., 1997, 296 p.
4. Glagolev Y. A. Spravochnik po fizicheskim pa-rametram atmosfery [Handbook of physical parameters of the atmosphere]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1970, 194 p
5. ITC SCANEX Monitoring lesnyh i torfyanyh poz-harov [Monitoring of forest and peat fires]. (In Russ.). Available at: www.scanex.ru/ru/data/Applications_ ScanEx_p43-47.pdf (accessed 10.11.2014).
6. Kashkin V. B. Sukhinin A. I. Dzz iz kosmosa. Tsi-frovaya obrabotka izobrazhenii [Remote sensing from space. Digital image processing]. Moscow, Logos Publ., 2001, 264 p.
7. Petrov M. N., Yronen Y. P. [Technology assessment of damage from forest fires]. Fyndamentalnye issle-dovaniya, 2007, No. 2, P. 10-20 (In Russ.).
8. Terebizh V. Y. Sovremennye opticheskie telescopy [Modern optical telescopes]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2005, 80 p.
9. Maksutov D. D. Astronomicheskaya optika [Astronomical optics]. Leningrad, Nauka Publ., 1979, 395 p.
10. Michelson N. N. Optika astronomicheskih tele-skopov i metody ee rascheta [Optics for astronomical telescopes and methods of its calculation]. Moscow, Fizmatlit Publ., 1995, 383 p.
11. Zaykov V. I., Skomorovsky S. A. Lazerno-opticheskie sistemy v teplotehnicheskih izmereniyah [Laser-optical system in thermal measurements]. Komsomolsk-on-Amur, Komsomolsk-na-Amure ros. tehn. Univ. Publ., 1999, 85 p.
12. Komppania Fluorite [The Company Fluorite]. (In Russ.) Available at: http://www.fluoride.su/index.html (accessed 10.11.2014).
13. Emelyanov E. V. Astrofizika IK diapazona [Astrophysics IR range]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2009, 34 p.
14. Urman M. S. Orbitalnye metody kosmicheskoy geodezii [Orbital methods of space geodesy] Moscow, Nedra Publ., 1981, 254 p.
15. Shovengerdt R. A. Distantsionnoe zondirovanie. Metody i modely obrabotki izobrazheniy [Remote sensing. Methods and models for image processing]. Moscow, Tehnosfera Publ., 2010, 560 p.
© Веселков С. А., Горбатюк Е. О., Кузакова Н. М., Заварзина А. В., 2015
