RU2834326C1

RU2834326C1 - Device for stabilizing optical-electronic image of spacecraft

Info

Publication number: RU2834326C1
Application number: RU2024104571A
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Новоселов; Михаил Юрьевич Жиленев; Кирилл Константинович Свистунов; Владимир Евгеньевич Валиков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "АВИА ПРАЙД" (ООО "АВИА ПРАЙД")
Filing date: 2024-02-22
Publication date: 2025-02-05

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to scanning systems and is primarily intended for use in creating on-board equipment for observation of high and ultrahigh resolution for spacecraft for remote probing of the Earth. Device for stabilizing the optical-electronic image of a spacecraft has a flat scanning mirror, a motion control module, optical-electronic equipment for remote probing of the Earth, which consists of an optical telescope equipped with photodetectors of the charge-coupled device for recording a signal. Actuator of the motion control module is a mechanism of a parallel structure, which makes it possible to control the position of the mirror.

EFFECT: possibility of obtaining primary images of the Earth with minimum geometrical distortions due to orbital motion of the spacecraft.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к сканирующим системам и преимущественно предназначено для использования при создании бортовой аппаратуры наблюдения высокого разрешения для космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и специального назначения.The invention relates to scanning systems and is primarily intended for use in the creation of high-resolution onboard observation equipment for Earth remote sensing and special-purpose spacecraft.

Конструктивно устройство стабилизации оптико-электронного изображения космического аппарата основывается на базе программируемого двухкоординатного привода сканирующего зеркала, описанного в статье [Медушев С.В. Перспективные варианты построения программируемого двухкоординатного привода сканирующего зеркала /С.В. Медушев, В. Е. Ремизов, В. В. Шичков // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. - 2008. - Т. 107. - С.32-37], содержащее сканирующее зеркало, карданов подвес и двигатель маховик.The design of the optical-electronic image stabilization device of the spacecraft is based on a programmable two-coordinate drive of the scanning mirror, described in the article [Medushev S.V. Prospective options for constructing a programmable two-coordinate drive of the scanning mirror /S.V. Medushev, V.E. Remizov, V.V. Shichkov // Questions of Electromechanics. Proceedings of VNIIEM. - 2008. - V. 107. - P.32-37], containing a scanning mirror, a gimbal suspension and a flywheel engine.

Известен аналог - способ оптического сканирования сред, объектов или поверхностей (патент на изобретение, Российская Федерация, RU 2346314 С2, опубликован 28.10.2004).An analogue is known - a method of optical scanning of environments, objects or surfaces (patent for invention, Russian Federation, RU 2346314 C2, published 10/28/2004).

Изобретение относится к устройству и способу оптического сканирования сред, объектов или поверхностей и может быть использовано в оптических системах дистанционного обнаружения или дистанционного установления местонахождения газов, в частности углеводородов, в атмосфере.The invention relates to a device and method for optical scanning of environments, objects or surfaces and can be used in optical systems for remote detection or remote determination of the location of gases, in particular hydrocarbons, in the atmosphere.

Устройство для оптического сканирования сред или объектов содержит отклоняющее зеркало для отклонения светового излучения, соединенное с приводом. Отклоняющее зеркало выполнено с возможностью вращения, причем нормаль к зеркалу наклонена к оси вращения. Отклоняющее зеркало установлено в оправе посредством подшипника и снабжено по меньшей мере одним элементом балансировочной массы таким образом, что ось вращения совпадает с главной осью инерции средства отклоняющего зеркала вместе с оправой.A device for optical scanning of media or objects contains a deflecting mirror for deflecting light radiation, connected to a drive. The deflecting mirror is made with the possibility of rotation, wherein the normal to the mirror is inclined to the rotation axis. The deflecting mirror is mounted in a frame by means of a bearing and is provided with at least one element of a balancing mass in such a way that the rotation axis coincides with the main axis of inertia of the deflecting mirror means together with the frame.

Основным недостатком данного технического решения является то, что оно позволяет только изменять направление движения света в оптической системе без изменения целевых характеристик изображения.The main disadvantage of this technical solution is that it only allows changing the direction of light movement in the optical system without changing the target characteristics of the image.

Известен аналог - бортовая система сканирования для фотоприемника с временной задержкой и накоплением заряда, которая посредством плоского сканирующего зеркала и оптической системы обеспечивает преобразование пространства предметов во временную последовательность электронных сигналов фотоприемника с временной задержкой и накоплением зарядов. Возвратно-вращательное сканирование плоским зеркалом кинетически скомпенсировано противоположным движением маховика, что сводит к минимуму остаточные возмущения на космическую платформу [А. Ф. Вечерковский, П. Э. Егоров, А. Б. Милорадов, А. Б. Филатов. Бортовая система сканирования для фотоприемника с временной задержкой и накоплением заряда, Вестник Концерна ВКО «Алмаз-Антей», №4, 2016 г.].An analogue is known - an on-board scanning system for a photodetector with a time delay and charge accumulation, which, by means of a flat scanning mirror and an optical system, ensures the transformation of the space of objects into a time sequence of electronic signals of a photodetector with a time delay and charge accumulation. The reciprocating-rotational scanning by a flat mirror is kinetically compensated by the opposite movement of a flywheel, which minimizes residual disturbances on the space platform [A. F. Vecherkovsky, P. E. Egorov, A. B. Miloradov, A. B. Filatov. On-board scanning system for a photodetector with a time delay and charge accumulation, Bulletin of the Almaz-Antey Air and Space Defense Concern, No. 4, 2016].

Основным недостатком данного технического решения является отсутствие программного управления сканирующего зеркала в целях улучшения таких характеристик изображения, как отношение сигнал/шум и минимизация геометрических искажений.The main disadvantage of this technical solution is the lack of software control of the scanning mirror in order to improve such image characteristics as the signal-to-noise ratio and minimization of geometric distortions.

В качестве прототипа рассматривается устройство сканирования и стабилизации оптического изображения (патент на изобретение, Российская Федерация, RU 2471211 С1, опубликован 27.12.2012).A device for scanning and stabilizing an optical image is considered as a prototype (patent for invention, Russian Federation, RU 2471211 C1, published on 27.12.2012).

Изобретение относится к оптическому приборостроению и, в частности к устройствам сканирования и стабилизации изображения окружающего пространства.The invention relates to optical instrument making and, in particular, to devices for scanning and stabilizing images of the surrounding space.

В патенте представлено устройство сканирования и стабилизации оптического изображения, содержащее двухосную сканирующую платформу с установленными на ней объективом, оптической призмой в карданном подвесе с приводами и датчиками угла и матричным фотоприемным устройством и предназначенное для получения качественных видеокадров как при слежении за подвижными объектами, так и при круговом сканировании окружающего пространства с постоянной угловой скоростью. Стабилизацию оптического изображения объектов при слежении и фиксацию на матрице оптического изображения окружающего пространства при сканировании и стабилизации обеспечивает оптическая призма, установленная в карданном подвесе перед матричным фотоприемником.The patent presents a device for scanning and stabilizing an optical image, containing a two-axis scanning platform with a lens mounted on it, an optical prism in a gimbal suspension with drives and angle sensors and a matrix photodetector and intended for obtaining high-quality video frames both when tracking moving objects and when circularly scanning the surrounding space with a constant angular velocity. Stabilization of the optical image of objects during tracking and fixation on the matrix of the optical image of the surrounding space during scanning and stabilization is provided by an optical prism installed in a gimbal suspension in front of the matrix photodetector.

Основным недостатком данного технического решения является существенное влияние вращающихся подвижных частей на качество получаемого изображения, а также постоянство отрабатываемой угловой скорости.The main disadvantage of this technical solution is the significant influence of rotating moving parts on the quality of the resulting image, as well as the constancy of the processed angular velocity.

Предлагаемое устройство стабилизации оптико-электронного изображения космического аппарата можно использовать в аппаратуре наблюдения космического аппарата при проведении съемки. Оно обеспечивает пространственно-временную стабилизацию положения поля («точки») визирования на снимаемой поверхности и, соответственно, стабилизацию изображения в фокальной плоскости объектива цифровой камеры на требуемое (по условиям наблюдения) время (экспозицию) съемки для устранения «смаза» первичного изображения и минимизации геометрических искажений.The proposed device for stabilizing the optical-electronic image of a spacecraft can be used in the spacecraft observation equipment during filming. It provides spatiotemporal stabilization of the position of the field ("point") of sighting on the surface being filmed and, accordingly, stabilization of the image in the focal plane of the digital camera lens for the required (according to the observation conditions) time (exposure) of filming to eliminate "blurring" of the primary image and minimize geometric distortions.

На фиг. 1 представлен принцип работы устройства стабилизации оптико-электронного изображения космического аппарата.Fig. 1 shows the operating principle of the optical-electronic image stabilization device of a spacecraft.

Принцип работы устройства стабилизации оптико-электронного изображения космического аппарата заключается в реализации изменения направления визирной линии оптико-электронной аппаратуры 1, которое осуществляется путем вращения плоского сканирующего зеркала 2 по специальному параметрическому закону с требуемой угловой скоростью, который формируется блоком системы управления 3 и реализуется средствами механизма параллельной структуры 4, который жестко закреплен на основании 5.The operating principle of the optical-electronic image stabilization device of a spacecraft consists of implementing a change in the direction of the sighting line of the optical-electronic equipment 1, which is carried out by rotating a flat scanning mirror 2 according to a special parametric law with the required angular velocity, which is formed by the control system unit 3 and implemented by means of the parallel structure mechanism 4, which is rigidly fixed on the base 5.

Вращение плоского сканирующего зеркала 2 осуществляется вокруг оси, параллельной строчным фоточувствительным элементам фотоприемника с прибором с зарядовой связью 6, и перемещает визирную линию по поверхности Земли с угловой скоростью, связанной масштабным коэффициентом с орбитальной угловой скоростью космического аппарата и дальностью до снимаемой точки на ее широте в диапазоне углов ±α в положение 10 или 11, и одновременно вокруг оси, лежащей в плоскости зеркала, перемещая визирную линию по поверхности Земли с угловой скоростью, связанной с угловой скоростью вращения Земли в диапазоне углов ±β.Rotation of flat scanning mirror 2 is performed around an axis parallel to the line photosensitive elements of the photodetector with charge-coupled device 6, and moves the sighting line along the Earth's surface with an angular velocity associated by a scale factor with the orbital angular velocity of the spacecraft and the distance to the point being photographed at its latitude in the range of angles ±α to position 10 or 11, and simultaneously around an axis lying in the plane of the mirror, moving the sighting line along the Earth's surface with an angular velocity associated with the angular velocity of the Earth's rotation in the range of angles ±β.

При этом исполнительное устройство к моменту времени съемки с помощью блока 3, комплекта прецизионных датчиков углового положения 7 и объективов-интерферометров 8 устанавливает сканирующее зеркало 2 в нужное угловое положение 12 по обеим осям.In this case, at the time of shooting, the actuator, using block 3, a set of precision angular position sensors 7 and interferometer lenses 8, sets the scanning mirror 2 to the required angular position 12 along both axes.

Добавление в состав устройства трехкоординатного механизма параллельной структуры, позволяет изменять положение зеркала 2 вдоль главной оптической оси оптико-электронной аппаратуры 1 в диапазоне ±δ с целью проведения летной юстировки и фокусировки.The addition of a three-coordinate parallel structure mechanism to the device allows changing the position of mirror 2 along the main optical axis of optical-electronic equipment 1 in the range of ±δ for the purpose of performing flight adjustment and focusing.

В дополнение в состав устройства может входить специальная аппаратура 9, например, фотометр и/или микроболометр. Конструктивно специальная аппаратура 9 устанавливается на фокальную плоскость оптико-электронной аппаратуры с целью измерения текущей облученности фотоприемников 6. При этом достигается автоматизированное определение необходимого отношения сигнал/шум для определения параметров режима управления сканирующим зеркалом 2.In addition, the device may include special equipment 9, for example, a photometer and/or a microbolometer. Structurally, special equipment 9 is installed on the focal plane of the optical-electronic equipment for the purpose of measuring the current irradiance of photodetectors 6. In this case, an automated determination of the required signal/noise ratio is achieved for determining the parameters of the control mode of the scanning mirror 2.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности получения первичных снимков Земли с тем отношением сигнал/шум, которое соответствует либо заданному значению, либо той облученности, которая измеряется специальной аппаратурой (фотометр, микроболометр), с улучшенной функцией передачи модуляции «смаза» и минимальными геометрическими искажениями из-за орбитального движения космического аппарата, его вращения вокруг собственных осей, вращения и кривизны Земли.The technical result of the invention is to provide the possibility of obtaining primary images of the Earth with a signal/noise ratio that corresponds either to a given value or to the irradiance that is measured by special equipment (photometer, microbolometer), with an improved function for transmitting the “smear” modulation and minimal geometric distortions due to the orbital motion of the spacecraft, its rotation around its own axes, and the rotation and curvature of the Earth.

Технический результат достигается путем компенсации «смаза» изображения вследствие вращения Земли вокруг собственной оси при использовании параметрического режима управления сканирующим зеркалом по специальной целевой программе с требуемой угловой скоростью таким образом, что с началом формирования изображения подстилающей поверхности визирный луч удерживается (стабилизируется) на одной «точке» подстилающей поверхности путем синхронного перемещения его в плоскости орбиты космического аппарата (в обратном направлении полета космического аппарата) и в плоскости широты места съемки (вслед за вращением Земли). При этом достижение технического результата невозможно без соблюдения целостности конструкции устройства, структурно изложенной далее.The technical result is achieved by compensating for the "blur" of the image due to the rotation of the Earth around its own axis using the parametric control mode of the scanning mirror according to a special target program with the required angular velocity in such a way that with the beginning of the formation of the image of the underlying surface, the sighting beam is held (stabilized) at one "point" of the underlying surface by synchronously moving it in the plane of the orbit of the spacecraft (in the opposite direction of the flight of the spacecraft) and in the plane of the latitude of the shooting location (following the rotation of the Earth). In this case, achieving the technical result is impossible without maintaining the integrity of the design of the device, structurally described below.

При достижении указанного технического результата устройство стабилизации оптико-электронного изображения космического аппарата необходимо и достаточно состоит из следующих конструктивных элементов: плоское сканирующее зеркало; модуль управления движением; оптико-электронная аппаратура дистанционного зондирования Земли, состоящая из оптического телескопа, оснащенного фотоприемниками типа прибор с зарядовой связью для регистрации сигнала; в качестве исполнительного устройства модуля управления движением выступает либо двухкоординатный механизм параллельной структуры, позволяющий управлять вращением поворотного зеркала в двух плоскостях, либо трехкоординатный механизм параллельной структуры, позволяющий управлять вращением поворотного зеркала в двух плоскостях и изменять положение зеркала вдоль главной оптической оси оптико-электронной аппаратуры. При этом дополнительно в состав устройства входит специальная аппаратура, измеряющая облученность - фотометр и/или микроболометр.Upon achieving the specified technical result, the spacecraft optical-electronic image stabilization device must and sufficiently consist of the following structural elements: a flat scanning mirror; a motion control module; optical-electronic equipment for remote sensing of the Earth, consisting of an optical telescope equipped with photodetectors of the charge-coupled device type for signal recording; either a two-coordinate parallel-structure mechanism that allows controlling the rotation of the rotating mirror in two planes or a three-coordinate parallel-structure mechanism that allows controlling the rotation of the rotating mirror in two planes and changing the position of the mirror along the main optical axis of the optical-electronic equipment acts as an actuator of the motion control module. In this case, the device additionally includes special equipment that measures irradiance - a photometer and/or a microbolometer.

Claims

1. A device for stabilizing an optical-electronic image of a spacecraft, comprising a flat scanning mirror, a motion control module, and optical-electronic equipment for remote sensing of the Earth, consisting of an optical telescope equipped with photodetectors of the charge-coupled device type for recording a signal, characterized in that the actuator of the motion control module is either a two-coordinate mechanism of parallel structure, allowing control of the rotation of a rotating mirror in two planes, or a three-coordinate mechanism of parallel structure, allowing control of the rotation of a rotating mirror in two planes and changing the position of the mirror along the main optical axis of the optical-electronic equipment.

2. A device for stabilizing the optical-electronic image of a spacecraft according to paragraph 1, characterized in that it also includes special equipment that measures irradiance - a photometer and/or a microbolometer.