Оптический канал

Аватар пользователя
Kalinkin
Сообщений: 89
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 12:08

Оптический канал

Сообщение Kalinkin » 22 окт 2015, 12:58

Обсуждение характеристик и состава оптического канала для съёмки поверхности.

Аватар пользователя
Kalinkin
Сообщений: 89
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 12:08

Условия съёмки

Сообщение Kalinkin » 22 окт 2015, 13:24

Для расчёта оптического канала необходимо узнать больше информации.

Необходимо определиться с условиями съёмки.
Из известных данных есть:
Высота съёмки - 10 км
Разрешение - 10 см местности на пиксель
Вот в принципе и всё...

Предлагаю следующий порядок действий:

Необходимо выбрать оптический диапазон в котором будет проводиться съёмка (видимый, ИК, итд).
Выбрать фотоприёмную матрицу (размеры, разрешение)
Определить основные оптические характеристики объектива (фокусное расстояние, диаметр входного зрачка, угловое поле)
Определить скорость спутника. Это позволит выбрать характеристики затвора дабы избежать смаза изображения, а так же возможность беспрерывной съёмки кадров, с требуемым перекрытием.
Далее можно переходить к конструктиву.

Вроде ничего не забыл.

Аватар пользователя
Ejj
Сообщений: 290
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 21:01

Re: Оптический канал

Сообщение Ejj » 22 окт 2015, 14:28

Вроде бы изначально говорили о пространственном разрешении снимков в 3 см?
Скорость спутника - 1,6-1,7 км/с для низкой орбиты Луны или 2,3-2,5 км/с для пролетной траектории.

sokolovskiy
Сообщений: 3
Зарегистрирован: 22 окт 2015, 09:02
Откуда: Волгоград
Контактная информация:

Re: Оптический канал

Сообщение sokolovskiy » 22 окт 2015, 14:34

Виталий, вроде, дал понять, что 10 см. Неоднократно это слышал

BarsMonster
Сообщений: 48
Зарегистрирован: 22 окт 2015, 00:32

Re: Условия съёмки

Сообщение BarsMonster » 24 окт 2015, 13:11

Kalinkin писал(а):Необходимо выбрать оптический диапазон в котором будет проводиться съёмка (видимый, ИК, итд).
Выбрать фотоприёмную матрицу (размеры, разрешение)
Определить основные оптические характеристики объектива (фокусное расстояние, диаметр входного зрачка, угловое поле)
Определить скорость спутника. Это позволит выбрать характеристики затвора дабы избежать смаза изображения, а так же возможность беспрерывной съёмки кадров, с требуемым перекрытием.
Далее можно переходить к конструктиву.


Я предлагаю ближний УФ-синий, ~400нм. Остальное фильтром срезать. Габариты наше все. Более глубокий УФ непрактичен вероятно.
Матрица - будем выбирать размер пикселя по относительному отверстию. Больше 35мм кадра дорого да и ненужно.
Оптика - 10см с трудом еще можно на линзах, но можно уже и 10-15см рефлектор поставить. Или Ньютон на F3/F4 с корректором - самое дешевое решение если по габаритам влезет, или Ричи-Кретьен.
Беспрерывная съемка не планируется, у нас канала данных не хватит.

Сдвиг матрицы по X-Y для устранения смаза вероятно не сделаем.
Смещение по Z для фокусировки (снимать будем на очень разных расстояниях) - может понадобится, особенно на F3/F4.

BarsMonster
Сообщений: 48
Зарегистрирован: 22 окт 2015, 00:32

Re: Условия съёмки

Сообщение BarsMonster » 24 окт 2015, 13:23

Kalinkin писал(а):Высота съёмки - 10 км


Я как главный пессимист на 10км не рассчитываю, пока нет расчетов расходов топлива на поддержание такой орбиты.
Может так получится, что работать придется с 20-40км.

Аватар пользователя
Kalinkin
Сообщений: 89
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 12:08

Re: Оптический канал

Сообщение Kalinkin » 24 окт 2015, 13:31

Напишу некоторые мои мысли и пркидки по поводу оптического канала. Если есть замечания, пишите)

Рассмотрим несколько вариантов применения различных матриц и какая к ним понадобится оптика.
Условия: высота съёмки 10 км, разрешение 10см/пикс

Обычная фотоматрица от Nikon D810a.
Входные данные:размер кадра стандарта 35 мм, величина пикселя 4,9 мкм для получения требуемого разрешения потребуется объектив с фокусным расстоянием примерно 500 мм, при этом угловое поле его будет 4 градусов, что на мой взгляд очень мало.

Матрица от АФА Z/I DMC II 250 (http://www.laserlocation.ru/catalog/cam ... eras/3576/).
Я думаю всех вполне устроит ч/б изображение. Мультиспектральность неминуемо приведёт к усложнению системы, увеличению габаритов, массы, объёма информации а так же энергопотреблению.
Входные данные:
Матрица размером 17216 x 14656 пикс, с размером пикселя 5,6 мкм, матрица физическим размером примерно 96,5х82 мм
На выходе имеем: Фокусное расстояние 560 мм, угловое поле 13 градусов.

Всё упирается в соотношение физического размера пикселя и разрешения на местности. На данный момент самый маленький пиксель это примерно 5 мкм, величина матрицы будет влиять только на угловое поле системы. Приходится использовать длиннофокусные системы.

С такими фокусами объективов сложнее компенсировать смаз изображения, необходимо будет сразу работать с маленькими выдержками, к тому же не факт что сможем получить беспрерывную съёмку поверхности с перекрытием кадров, пока матрица будет считывать полученную информацию, спутник улетит слишком далеко от первого кадра.
Не стоит забывать и про экспозицию. Меньше выдержка - меньше света. Необходимо будет либо увеличивать светочувствительность матрицы, что неминуемо приведёт к увеличению цифровых шумов, либо увеличивать светосилу объектива, что влечёт усложнение и увеличение габаритов оптической системы.

К чему я это всё. Оптимальные фокусные расстояния, на мой взгляд, не больше 300мм, высоту съёмки уменьшить нельзя, размер пикселя уменьшить мы не может, остаётся только одно - УМЕНЬШИТЬ ЗАДАННОЕ РАЗРЕШЕНИЕ В 2-3 РАЗА.

Это мои прикидки, возможно я что-то упустил, расчёт проводил из обычной геометрии.

Аватар пользователя
Ejj
Сообщений: 290
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 21:01

Re: Условия съёмки

Сообщение Ejj » 24 окт 2015, 13:36

BarsMonster писал(а):
Kalinkin писал(а):Высота съёмки - 10 км


Я как главный пессимист на 10км не рассчитываю, пока нет расчетов расходов топлива на поддержание такой орбиты.
Может так получится, что работать придется с 20-40км.


Есть какие-то оценки расхода ХС за виток на поддержание орбиты ИСЛ 80х10км?

Аватар пользователя
Kalinkin
Сообщений: 89
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 12:08

Re: Условия съёмки

Сообщение Kalinkin » 24 окт 2015, 13:40

BarsMonster писал(а):Я предлагаю ближний УФ-синий, ~400нм. Остальное фильтром срезать. Габариты наше все. Более глубокий УФ непрактичен вероятно.
Матрица - будем выбирать размер пикселя по относительному отверстию. Больше 35мм кадра дорого да и ненужно.
Оптика - 10см с трудом еще можно на линзах, но можно уже и 10-15см рефлектор поставить. Или Ньютон на F3/F4 с корректором - самое дешевое решение если по габаритам влезет, или Ричи-Кретьен.
Беспрерывная съемка не планируется, у нас канала данных не хватит.

Сдвиг матрицы по X-Y для устранения смаза вероятно не сделаем.
Смещение по Z для фокусировки (снимать будем на очень разных расстояниях) - может понадобится, особенно на F3/F4.


УФ штука непростая, выбор матриц для этого диапазона не так уж и велик. Надо узнать насколько хорошо УФ отражается от поверхности, возможно что он полностью поглощается поверхностью. Кроме того стоит учитывать что не каждая оптическая система сможет пропустить ближнее УФ излучение, надо будет выбирать подходящие марки стёкол, к тому же большинство клеёв используемых для склеивания линз являются УФ-отвердевающими, так что такие компоненты будут просто его поглощать.
Выбор пикселя по относительному отверстию не совсем верен, тут вопрос масштаба, а масштаб зависит от фокусного расстояния.
Чем больше матрица - тем больше угловое поле.
Использование зеркально-линзовых систем оправданно при фокусах от 500мм, до этого можно спокойно обходиться линзовыми системами.

BarsMonster
Сообщений: 48
Зарегистрирован: 22 окт 2015, 00:32

Re: Условия съёмки

Сообщение BarsMonster » 24 окт 2015, 15:09

Kalinkin писал(а):УФ штука непростая, выбор матриц для этого диапазона не так уж и велик. Надо узнать насколько хорошо УФ отражается от поверхности, возможно что он полностью поглощается поверхностью. Кроме того стоит учитывать что не каждая оптическая система сможет пропустить ближнее УФ излучение, надо будет выбирать подходящие марки стёкол, к тому же большинство клеёв используемых для склеивания линз являются УФ-отвердевающими, так что такие компоненты будут просто его поглощать.


Я потому и назвал 400нм, что там и с матрицами все относительно хорошо, и оптику можно несложно сделать (а с зеркальной и вовсе проблем нет). Луна условно "белая" - значит 400нм там есть. Как будет чистое небо - сниму спектр луны.

Сложные оптические системы, склейки в космос я бы не стал выводить, там температурные перепады могут быть огого, жесткое УФ и прочие радости...

Kalinkin писал(а):Выбор пикселя по относительному отверстию не совсем верен, тут вопрос масштаба, а масштаб зависит от фокусного расстояния.


Как это не совсем верен? Мы должны работать на дифракционном пределе. Если разрешение сильно выше дифракционного предела - мы только зря ухудшаем сигнал-шум из-за слишком мелкого пикселя матрицы. Если разрешение ниже дифракционного предела - мы выкидываем полезную информацию в мусор.

Kalinkin писал(а):Чем больше матрица - тем больше угловое поле.


Угловое поле - зависит не только от размеров фотоприемника, но и от фокусного расстояния. Я вот недавно например прекрасно снял на объектив с фокусным расстоянием 1.8мм все 180 градусов на мелкую матрицу :-)

Kalinkin писал(а):Использование зеркально-линзовых систем оправданно при фокусах от 500мм, до этого можно спокойно обходиться линзовыми системами.



Выбор зеркальный/зеркально-линзовый/линзовый - не из-за фокусного расстояния. Тут десяток факторов. Но факт остается фактом - линзовых систем с _диаметрами_ выше 10см в природе очень мало, независимо от их фокусного расстояния. Если есть габаритные ограничения - то опять никакая линзовая система не сравнится по габаритам с Кассегреном, независимо от фокусного расстояния.

BarsMonster
Сообщений: 48
Зарегистрирован: 22 окт 2015, 00:32

Re: Оптический канал

Сообщение BarsMonster » 24 окт 2015, 15:15

Kalinkin писал(а):Всё упирается в [...] разрешения на местности.


Совершенно верно!
Если пиксель на местности 20см, а скорость полета 1.5км/сек, выдержка не должна превышать 1/7500. Расчет окончен :-)
Фокусное расстояние тут естественно само по себе не участвует.

Это конечно для случая неподвижной матрицы.

Аватар пользователя
Kalinkin
Сообщений: 89
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 12:08

Re: Условия съёмки

Сообщение Kalinkin » 24 окт 2015, 16:08

BarsMonster писал(а):Я потому и назвал 400нм, что там и с матрицами все относительно хорошо, и оптику можно несложно сделать (а с зеркальной и вовсе проблем нет). Луна условно "белая" - значит 400нм там есть. Как будет чистое небо - сниму спектр луны.


Если снимать на одой длине волны, энергии будет мало, значит нужно использовать диапазон плюс минус 200-300 нм. И вот с этим диапазоном могут быть проблемы. То что она "белая", совершенно ничего не значит.
Изготовление зеркально-линзовых объективов, довольно хлопотный и дорогостоящий процесс.

BarsMonster писал(а):Сложные оптические системы, склейки в космос я бы не стал выводить, там температурные перепады могут быть огого, жесткое УФ и прочие радости...


Сложные оптические системы вводятся не просто так да и склейки в них тоже. Качества не будет.
Температурные перепады компенсируются правильным выбором материалов (в разумных пределах).
Жёсткое УФ, это из другой оперы. Проблему может составить радиация.

BarsMonster писал(а):Как это не совсем верен? Мы должны работать на дифракционном пределе. Если разрешение сильно выше дифракционного предела - мы только зря ухудшаем сигнал-шум из-за слишком мелкого пикселя матрицы. Если разрешение ниже дифракционного предела - мы выкидываем полезную информацию в мусор.


Оке, извините, СОВСЕМ неверен.
Минимальный кружок рассеяния системы равен r=1.22*(длинну волны)*(фокусное расстояние)/(диаметр входного зрачка).
Диаметр входного зрачка будет влиять на предел углового разрешения, умножим это на фокус и получим предел линейного разрешения.
Добиться дифракционного предела очень непросто( и ведёт это всё к усложнению оптической системы)

BarsMonster писал(а):Угловое поле - зависит не только от размеров фотоприемника, но и от фокусного расстояния. Я вот недавно например прекрасно снял на объектив с фокусным расстоянием 1.8мм все 180 градусов на мелкую матрицу :-)


При равных фокусных расстояниях угловое поле будет зависеть от размера матрицы.

BarsMonster писал(а):Выбор зеркальный/зеркально-линзовый/линзовый - не из-за фокусного расстояния. Тут десяток факторов. Но факт остается фактом - линзовых систем с _диаметрами_ выше 10см в природе очень мало, независимо от их фокусного расстояния. Если есть габаритные ограничения - то опять никакая линзовая система не сравнится по габаритам с Кассегреном, независимо от фокусного расстояния.


А вот тут вы очень сильно ошибаетесь. Сначала выбираются параметры требуемой системы, и только потом её тип и конструкция.
Выбор зеркально-линзовых систем в первую очередь обусловлен их возможностью получения высокого телесокращения. Грубо говоря имея объектив с фокусом 1000 мм, используя линзовые системы можно получить длину системы не меньше 700 мм, используя зеркальные системы 400мм. К тому же из -за особенности хода лучей нельзя получить широкоугольные ЗЛО(зеркально-линзовые объективы), так что без линзовых систем не обойтись)

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0 ... 0.B5.D0.BC

На зеркально-линзовые системы накладываются многие ограничения из-за особенности их конструкции.

BarsMonster
Сообщений: 48
Зарегистрирован: 22 окт 2015, 00:32

Re: Условия съёмки

Сообщение BarsMonster » 24 окт 2015, 17:17

Kalinkin писал(а):Оке, извините, СОВСЕМ неверен.
Минимальный кружок рассеяния системы равен r=1.22*(длинну волны)*(фокусное расстояние)/(диаметр входного зрачка).
Диаметр входного зрачка будет влиять на предел углового разрешения, умножим это на фокус и получим предел линейного разрешения.
Добиться дифракционного предела очень непросто( и ведёт это всё к усложнению оптической системы)

Работа на дифракционном пределе - штатный режим астрономической оптики. Это не просто, но это обычное, достижимое дело. Если это не скорректированный ньютон - дифракционно-ограниченное поле будет всего несколько миллиметров (но все равно будет), а для Ричи-Кретьена и скорректированного Ньютона (возможно даже гиперболического) - существенно больше. Это естественно только в случае если мы говорим о точности изготовления зеркал в лямбда/8 по волновому фронту, что в рамках этого проекта вполне достижимо.

Также вполне обычным делом для космоса является изготовление зеркал, а иногда и элементов конструкции из Ситалла/Zerodur-а, что невозможно для линзовой оптики. Это также в рамках этого проекта вполне возможно.

Kalinkin писал(а):На зеркально-линзовые системы накладываются многие ограничения из-за особенности их конструкции.

Давайте для четкости всегда будем упоминать, о субапертурных или полноапертурных линзовых корректорах мы говорим. Полноапертурные корректоры в зеркальных системах и мне кажутся неоптимальными для этого класса задач. А системы с субапертурными корректорами и катадиоптриками-то не всегда называют.

Ну и всегда остается чисто зеркальный Ричи-Кретьен, который все любят, в том числе и в космосе.

BarsMonster
Сообщений: 48
Зарегистрирован: 22 окт 2015, 00:32

Re: Условия съёмки

Сообщение BarsMonster » 24 окт 2015, 17:20

Kalinkin писал(а):Если снимать на одой длине волны, энергии будет мало, значит нужно использовать диапазон плюс минус 200-300 нм. И вот с этим диапазоном могут быть проблемы. То что она "белая", совершенно ничего не значит.


У нас весь видимый диапазон +-300нм :-)
Предлагаю ширину полосы 100нм, 380..480нм.
Конечно это только для зеркальной оптики, линзовым системам будет тяжеловато, и ничего серийного мы не найдем на этот диапазон.

Аватар пользователя
Kalinkin
Сообщений: 89
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 12:08

Re: Условия съёмки

Сообщение Kalinkin » 24 окт 2015, 17:39

BarsMonster писал(а):У нас весь видимый диапазон +-300нм :-)
Предлагаю ширину полосы 100нм, 380..480нм.
Конечно это только для зеркальной оптики, линзовым системам будет тяжеловато, и ничего серийного мы не найдем на этот диапазон.


Вы прям фанат зеркальных объективов)
380-480 это начало видимого диапазона, и линзовые системы будут работать нормально. Можно даже серийные образцы найти.
Думаю определяющим для выбора диапазона станет отражающая способность луны(какие длины волн максимально отражаются).

gionov
Сообщений: 272
Зарегистрирован: 23 окт 2015, 21:15
Откуда: г. Снежинск, Челябинская обасть
Контактная информация:

Re: Условия съёмки

Сообщение gionov » 24 окт 2015, 17:43

Kalinkin писал(а):Думаю определяющим для выбора диапазона станет отражающая способность луны(какие длины волн максимально отражаются).

Луна хорошо освещена Солнцем, это не Плутон, да и скорость на порядок меньше, так что вообще какие проблемы с отражающей способностью быть могут? Даже на высоте 10 км характерное время пролёта над снимаемым участком около 10 секунд. При выдержке 0.1 с изменение изображения будет около 0.0001, что меньше пикселя.

BarsMonster
Сообщений: 48
Зарегистрирован: 22 окт 2015, 00:32

Re: Условия съёмки

Сообщение BarsMonster » 24 окт 2015, 17:48

Kalinkin писал(а):Вы прям фанат зеркальных объективов)
380-480 это начало видимого диапазона, и линзовые системы будут работать нормально. Можно даже серийные образцы найти.
Думаю определяющим для выбора диапазона станет отражающая способность луны(какие длины волн максимально отражаются).


Линзовые объективы чаще всего чуть синее обычно считают (от 420 и далее) и со взвешиванием по чувствительности глаза.
Т.е. на 380-420 они будут показывать существенно хуже, чем на 550.
Насчет отражающей способности луны - полностью согласен.

Синий естественно хочется взять только из-за улучшения разрешения.
Разница между ближним УФ и красным в 1.6 раза, в наших условиях это существенно.

BarsMonster
Сообщений: 48
Зарегистрирован: 22 окт 2015, 00:32

Re: Условия съёмки

Сообщение BarsMonster » 24 окт 2015, 17:51

gionov писал(а):
Kalinkin писал(а):Думаю определяющим для выбора диапазона станет отражающая способность луны(какие длины волн максимально отражаются).

Луна хорошо освещена Солнцем, это не Плутон, да и скорость на порядок меньше, так что вообще какие проблемы с отражающей способностью быть могут? Даже на высоте 10 км характерное время пролёта над снимаемым участком около 10 секунд. При выдержке 0.1 с изменение изображения будет около 0.0001, что меньше пикселя.


Высота орбиты в нашем случае не играет существенной роли для смазывания, важен лишь масштаб изображения.
При масштабе 20см на пиксель, и скорости полета 1500 м/с, за секунду пролетаем 7500 пикселей на изображении.

PS. Ааа, вы для варианта слежения за местом съемки. Да, в этом случае все на порядок проще по экспозиции.

gionov
Сообщений: 272
Зарегистрирован: 23 окт 2015, 21:15
Откуда: г. Снежинск, Челябинская обасть
Контактная информация:

Re: Условия съёмки

Сообщение gionov » 24 окт 2015, 17:56

BarsMonster писал(а):Высота орбиты в нашем случае не играет существенной роли для смазывания, важен лишь масштаб изображения.
При масштабе 20см на пиксель, и скорости полета 1500 м/с, за секунду пролетаем 7500 пикселей на изображении.

PS. Ааа, вы для варианта слежения за местом съемки. Да, в этом случае все на порядок проще по экспозиции.


Да, что мы просто тупо будем смотреть в бесконечность и фотографировать мчащийся поезд неподвижной камерой. Любой фотограф поворачивается за движущимся объектом.

Аватар пользователя
Kalinkin
Сообщений: 89
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 12:08

Re: Условия съёмки

Сообщение Kalinkin » 24 окт 2015, 18:30

BarsMonster писал(а):[
Линзовые объективы чаще всего чуть синее обычно считают (от 420 и далее) и со взвешиванием по чувствительности глаза.
Т.е. на 380-420 они будут показывать существенно хуже, чем на 550.
Насчет отражающей способности луны - полностью согласен.

Синий естественно хочется взять только из-за улучшения разрешения.
Разница между ближним УФ и красным в 1.6 раза, в наших условиях это существенно.


Я честно говоря думаю что придётся изготавливать новый объектив под нашу конкретную цель. То что хорошо на Земле, не факт что будет работать в космосе.
Разница в 1.6 как раз немного.
Нашёл статейку http://nplit.ru/books/item/f00/s00/z0000060/st011.shtml
В ней говорится что максимально луна отражает 3.5 мкм. Правда для объектива с фокусом 560мм диаметр входного зрачка будет равен 470 мм, что для нас будет слишком много)
Но всё ведёт к тому что в ИК-области отражение больше чем в УФ.


Вернуться в «Обоснование выбора целевой аппаратуры»

Кто сейчас на форуме

Количество пользователей, которые сейчас просматривают этот форум: нет зарегистрированных пользователей и 1 гость